本文關(guān)鍵詞： 海冰強度 立體監(jiān)測 海冰運動特性 海冰熱力學 離散元方法 工程海冰預報系統(tǒng)　出處：《大連理工大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：作為一種自然現(xiàn)象,海冰在大氣和海洋作用下呈現(xiàn)出復雜的熱力-動力過程,并約占全球海洋表面的10%。在海冰覆蓋區(qū)域,冰蓋往往處于不穩(wěn)定狀態(tài),并容易破碎形成浮冰塊。浮冰在風和海流的作用下可以達到快速的漂移速度,并且漂移方向不斷轉(zhuǎn)換。這增加了海冰監(jiān)測和數(shù)值預報的難度,給寒區(qū)海上油氣作業(yè)、船舶航行、漁業(yè)養(yǎng)殖和科學研究等帶來很大的威脅。然而,隨著全球氣候的變暖與能源供應的緊張,人們在寒區(qū)的活動呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。海冰無疑增加了人們在該區(qū)域活動的工程復雜性。如何應對不利的海冰環(huán)境進而保證人們活動的安全性與經(jīng)濟性,將是拓展寒區(qū)開發(fā)空間需要面對的新挑戰(zhàn)。 本文以海冰物理力學性質(zhì)試驗與不同尺度上海冰要素(厚度、密集度與速度)的立體監(jiān)測為基礎(chǔ),分析工程海冰的力學性質(zhì),研究海冰要素的動力特性。利用符合蓄能方式的海冰熱力學數(shù)值方法與反映海冰非連續(xù)分布特性的離散單元方法,建立了海冰數(shù)值預測的高精度數(shù)值模型。在以上研究的基礎(chǔ)上,本文進一步研發(fā)了用于油氣作業(yè)區(qū)海冰管理的工程海冰數(shù)值模擬和預報系統(tǒng)。本文工作主要包括以下研究內(nèi)容： 首先,通過環(huán)渤海沿岸海冰的物理力學性質(zhì)試驗分析了海冰彎曲強度、單軸壓縮強度與側(cè)限壓縮強度的影響因素,并重點確立了海冰強度在多因素影響下的基本特性；在此基礎(chǔ)上,給出了海冰強度在應力速率與鹵水體積(為冰溫和鹽度的函數(shù))影響下的分布規(guī)律。此外,利用外包絡線方法給出了極限條件下壓縮強度的分布函數(shù),并分析了側(cè)限應力對海冰壓縮強度的影響；最后分析了海冰單軸壓縮、彎曲和剪切強度在鹵水體積和應力速率影響下的統(tǒng)一表征形式。 其次,針對渤海海冰的動力學特性,以海洋油氣平臺為依托建立了海冰現(xiàn)場監(jiān)測和雷達圖像采集分析系統(tǒng),并與衛(wèi)星遙感圖像相結(jié)合實現(xiàn)了對海冰動力要素的立體監(jiān)測。以此為基礎(chǔ),分析了局地海冰密集度、浮冰面積、海冰流速和海冰斷裂等海冰要素及其動力學行為的演化規(guī)律,增強了對海冰動力學行為的深入理解。通過對遼東灣JZ20-2海域的冰速統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)該海域的冰速概率密度符合瑞利分布,而海冰漂移方向則符合雙峰正態(tài)概率密度分布,且海冰速大小與方向相關(guān)性較小。利用局地海域平均速度的概念,給出了在潮流、風等外力作用下海冰漂移軌跡的變化規(guī)律,為合理地利用監(jiān)測數(shù)據(jù)短期預測海冰漂移行為提供了依據(jù)。通過對海冰衛(wèi)星圖像的數(shù)字化分析,提取了離散分布冰塊的尺寸參數(shù),統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)冰塊的有效直徑符合Gamma分布。 然后,在對渤海海冰熱力學與動力學方程參數(shù)化的基礎(chǔ)上,利用符合蓄能方式的熱力學數(shù)值方法對底面與表層的海冰生消過程進行計算,并建立了考慮海冰輻散與積聚過程的海冰離散單元動力學模型。在對海冰熱傳導方程進行數(shù)值離散時,利用能量原理來換算因海冰的生消變化而引起的網(wǎng)格變動,進一步討論了海冰熱力與動力要素耦合作用過程中的動態(tài)網(wǎng)格。利用經(jīng)典的旋風場數(shù)值試驗、規(guī)則邊界條件下海冰運動行為和海冰穩(wěn)定狀態(tài)下的厚度解析解,論證了離散單元方法在海冰動力學模擬中的適用性與數(shù)值精度。在采用FVCOM模型計算得到渤海水動力要素的基礎(chǔ)上,對渤海海冰動力過程進行了離散單元方法的數(shù)值模擬,并通過遼東灣JZ20-2海域?qū)崪y海冰數(shù)據(jù)驗證了離散元模型的可靠性。 在遼東灣JZ20-2海域海冰現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上,對冰激錐體海洋平臺結(jié)構(gòu)的振動響應與海冰參數(shù)進行了統(tǒng)計分析。將其與海洋平臺結(jié)構(gòu)的有限元模型、簡化動力學方法進行了對比,為分析海洋平臺結(jié)構(gòu)的冰振響應提供了參考依據(jù)。在集成海冰物理力學性質(zhì)、海冰立體監(jiān)測、海冰熱力學與動力學、海冰離散元模型和冰激結(jié)構(gòu)響應分析等研究成果的基礎(chǔ)上,研發(fā)了工程海冰數(shù)值模擬和預報系統(tǒng)。將該系統(tǒng)在渤海遼東灣冬季油氣作業(yè)區(qū)的海冰管理中進行了初步應用,并通過海洋平臺結(jié)構(gòu)的冰振響應現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進行了驗證。該工程海冰數(shù)值模擬和預報系統(tǒng)將有助于對油氣作業(yè)區(qū)海冰條件的精確預報,有助于提升冰期海洋平臺結(jié)構(gòu)的冰害預警能力。 最后,對本論文的主要研究內(nèi)容進行了總結(jié),并對后續(xù)研究的主要問題進行了討論和展望。
[Abstract]:As a natural phenomenon , sea ice has a complex thermodynamic - dynamic process under the action of atmosphere and ocean , which accounts for about 10 % of the global ocean surface . Based on the three - dimensional monitoring of the physical and mechanical properties of sea ice and the three dimensional monitoring of Shanghai ice elements ( thickness , density and velocity ) of different scales , this paper analyzes the mechanical properties of sea ice in engineering and studies the dynamic characteristics of sea ice elements . Based on the above research , the numerical simulation and forecast system of sea ice value for sea ice management in oil and gas operation area is further developed . The work of this paper mainly includes the following research contents : Firstly , the influence factors of sea ice bending strength , uniaxial compressive strength and side limit compression strength are analyzed by physical and mechanical properties of sea ice along the coast of Bohai Sea . The distribution function of sea ice strength under the influence of many factors is established . Furthermore , the distribution function of compressive strength under extreme conditions is given by using the outer envelope method , and the influence of side - limit stress on the compressive strength of sea ice is given . Finally , the unified representation of the compressive strength , bending and shear strength of sea ice under the influence of brine volume and stress rate is analyzed . Based on the analysis of sea ice velocity in Liaodong Bay JZ20 - 2 sea area , it is found that the probability density of ice velocity in the sea area accords with Rayleigh distribution . On the basis of the parameterization of the thermodynamic and dynamic equations of sea ice in the Bohai Sea , the dynamic model of the sea ice in the sea ice dynamic simulation is calculated by using the thermodynamic numerical method which accords with the energy storage method . The numerical simulation of the discrete unit method in the simulation of sea ice dynamics is discussed . Based on the calculation of the FPM model , the numerical simulation of the discrete element method is carried out on the sea ice dynamic process in the Bohai Sea . The reliability of the discrete element model is verified by the measured sea ice data in the JZ20 - 2 sea area of Liaodong Bay . Based on the field monitoring of sea ice in JZ20 - 2 sea area in Liaodong Bay , this paper makes a statistical analysis on the vibration response and sea ice parameters of marine platform structure . Finally , the main research contents of this thesis are summarized , and the main problems of the follow - up study are discussed and prospect .

【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：P731.15;P714.1

【參考文獻】

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本文編號：1442398