海冰運(yùn)動(dòng)是全球水循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)全球的氣候變化和寒區(qū)海上經(jīng)濟(jì)活動(dòng)都有重要的影響。海冰動(dòng)力學(xué)主要研究海冰在海洋、大氣的動(dòng)力強(qiáng)迫下的運(yùn)動(dòng)變化、動(dòng)量傳輸及其斷裂、重疊和堆積等動(dòng)力學(xué)特征。其中表征海冰內(nèi)部相互作用的本構(gòu)模型一直是提高海冰動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬精度的關(guān)鍵內(nèi)容。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“中小尺度海冰動(dòng)力學(xué)的本構(gòu)模型及數(shù)值方法研究”（批準(zhǔn)號(hào)：40206004）的資助下，對(duì)目前海冰動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)地總結(jié)和分析，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)海冰動(dòng)力學(xué)尺度的定義，以渤海海冰為主要研究對(duì)象，針對(duì)渤海海冰的特點(diǎn)及其油氣開發(fā)的需要，對(duì)中小尺度下的海冰動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型進(jìn)行了研究。系統(tǒng)地介紹了海冰對(duì)氣候和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響，詳細(xì)地回顧了海冰動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型的發(fā)展歷程，并指出了海冰動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型研究存在的問(wèn)題和不足。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合渤海海冰的特點(diǎn)，介紹了本論文進(jìn)行的主要工作。對(duì)海冰動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬常用的數(shù)值方法，如有限差分法、質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格法和光滑質(zhì)點(diǎn)流體動(dòng)力學(xué)方法、物質(zhì)點(diǎn)法等，進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和分析。針對(duì)渤海海冰的特點(diǎn)，詳細(xì)地介紹了本文數(shù)值模擬所采用的光滑質(zhì)點(diǎn)流體動(dòng)力學(xué)方法的基本原理，并建立了適用于本文粘彈-... 

【文章來(lái)源】：大連理工大學(xué)遼寧省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：155 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

粘塑性海冰動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模烈中小應(yīng)變率卜應(yīng)力狀態(tài)ls9】

合、主動(dòng)和被動(dòng)剪切等四種不同的破壞形式。將冰隙的各向性模型相結(jié)合，在進(jìn)行大尺度海冰動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬時(shí)，可對(duì)精確地分析。冰各向異性損傷模型積海冰在風(fēng)、浪和海流等環(huán)境條件下所產(chǎn)生的具有一定長(zhǎng)度，可視為具有方位特性的海冰損傷(或裂縫)。這種大尺度下的室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)中冰內(nèi)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展有很強(qiáng)的相似性189，”3]大尺度海冰現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了考慮向異性模型，用以模擬海冰堆積、斷裂的動(dòng)力過(guò)程。究這種因海冰動(dòng)力破碎所引起的定向損傷時(shí)，Hible:等人將考慮冰隙寬度兩種情況，并均采用了Mohr一Coulomb準(zhǔn)則作為所示)。該模型中引入了制約比率:一氏/a，，和方位角0兩個(gè)參的主應(yīng)力，0為損傷裂縫與a、的夾角。

傳統(tǒng)拉格朗日方法中的網(wǎng)格纏繞和扭曲等難題，可避免銷蝕網(wǎng)格和網(wǎng)格重分。在海冰動(dòng)力學(xué)SPH模擬中，將模擬的海冰區(qū)域分解成足夠多個(gè)海冰質(zhì)點(diǎn)(圖2)，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都具有各自的質(zhì)量、動(dòng)量和能量。從圖2.3中可以看出，海冰質(zhì)點(diǎn)能夠較精確地表示出冰邊緣線位置。計(jì)算域內(nèi)任意位置處的海冰參量(冰厚、密集度、冰速以及冰內(nèi)應(yīng)力等)均可通過(guò)一個(gè)選定的核函數(shù)來(lái)由其鄰近海冰質(zhì)點(diǎn)的相應(yīng)參量積分確定。海冰參量的導(dǎo)數(shù)則可通過(guò)分部積分，由核函數(shù)的導(dǎo)數(shù)計(jì)算。各海冰質(zhì)點(diǎn)的速度可由海冰動(dòng)量方程確定。由于海冰動(dòng)量方程是在拉格朗日坐標(biāo)下求解的，平流項(xiàng)直接通過(guò)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬，從而克服了有限差分法計(jì)算平流項(xiàng)時(shí)的擴(kuò)散現(xiàn)象，因此能夠精確地處理冰邊緣線的移動(dòng)位置。冰內(nèi)應(yīng)力可根據(jù)選定的本構(gòu)模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算。海冰厚度和密集度通過(guò)計(jì)算調(diào)整各海冰質(zhì)點(diǎn)的光滑長(zhǎng)度和質(zhì)量密度來(lái)確定。嚴(yán)格地說(shuō)，SPH方法是建立在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)上的一種無(wú)網(wǎng)格的計(jì)算方法。當(dāng)海冰密集度較高時(shí)，SPH方法可精確地計(jì)算海冰的連續(xù)流變特性:當(dāng)開闊水的面積足夠大，即相鄰質(zhì)點(diǎn)間的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，海冰間的相互作用會(huì)因核函數(shù)的弱化而迅速消失

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]渤海海冰數(shù)值模擬及其工程應(yīng)用[D]. 季順迎.大連理工大學(xué) 2001



本文編號(hào)：3497676