基于强度试验和立体监测的海冰离散元模型及工程应用

发布时间：2018-01-19 03:16

本文关键词： 海冰强度立体监测海冰运动特性海冰热力学离散元方法工程海冰预报系统　出处：《大连理工大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：作为一种自然现象,海冰在大气和海洋作用下呈现出复杂的热力-动力过程,并约占全球海洋表面的10%。在海冰覆盖区域,冰盖往往处于不稳定状态,并容易破碎形成浮冰块。浮冰在风和海流的作用下可以达到快速的漂移速度,并且漂移方向不断转换。这增加了海冰监测和数值预报的难度,给寒区海上油气作业、船舶航行、渔业养殖和科学研究等带来很大的威胁。然而,随着全球气候的变暖与能源供应的紧张,人们在寒区的活动呈现不断增加的趋势。海冰无疑增加了人们在该区域活动的工程复杂性。如何应对不利的海冰环境进而保证人们活动的安全性与经济性,将是拓展寒区开发空间需要面对的新挑战。本文以海冰物理力学性质试验与不同尺度上海冰要素(厚度、密集度与速度)的立体监测为基础,分析工程海冰的力学性质,研究海冰要素的动力特性。利用符合蓄能方式的海冰热力学数值方法与反映海冰非连续分布特性的离散单元方法,建立了海冰数值预测的高精度数值模型。在以上研究的基础上,本文进一步研发了用于油气作业区海冰管理的工程海冰数值模拟和预报系统。本文工作主要包括以下研究内容：首先,通过环渤海沿岸海冰的物理力学性质试验分析了海冰弯曲强度、单轴压缩强度与侧限压缩强度的影响因素,并重点确立了海冰强度在多因素影响下的基本特性；在此基础上,给出了海冰强度在应力速率与卤水体积(为冰温和盐度的函数)影响下的分布规律。此外,利用外包络线方法给出了极限条件下压缩强度的分布函数,并分析了侧限应力对海冰压缩强度的影响；最后分析了海冰单轴压缩、弯曲和剪切强度在卤水体积和应力速率影响下的统一表征形式。其次,针对渤海海冰的动力学特性,以海洋油气平台为依托建立了海冰现场监测和雷达图像采集分析系统,并与卫星遥感图像相结合实现了对海冰动力要素的立体监测。以此为基础,分析了局地海冰密集度、浮冰面积、海冰流速和海冰断裂等海冰要素及其动力学行为的演化规律,增强了对海冰动力学行为的深入理解。通过对辽东湾JZ20-2海域的冰速统计分析,发现该海域的冰速概率密度符合瑞利分布,而海冰漂移方向则符合双峰正态概率密度分布,且海冰速大小与方向相关性较小。利用局地海域平均速度的概念,给出了在潮流、风等外力作用下海冰漂移轨迹的变化规律,为合理地利用监测数据短期预测海冰漂移行为提供了依据。通过对海冰卫星图像的数字化分析,提取了离散分布冰块的尺寸参数,统计发现冰块的有效直径符合Gamma分布。然后,在对渤海海冰热力学与动力学方程参数化的基础上,利用符合蓄能方式的热力学数值方法对底面与表层的海冰生消过程进行计算,并建立了考虑海冰辐散与积聚过程的海冰离散单元动力学模型。在对海冰热传导方程进行数值离散时,利用能量原理来换算因海冰的生消变化而引起的网格变动,进一步讨论了海冰热力与动力要素耦合作用过程中的动态网格。利用经典的旋风场数值试验、规则边界条件下海冰运动行为和海冰稳定状态下的厚度解析解,论证了离散单元方法在海冰动力学模拟中的适用性与数值精度。在采用FVCOM模型计算得到渤海水动力要素的基础上,对渤海海冰动力过程进行了离散单元方法的数值模拟,并通过辽东湾JZ20-2海域实测海冰数据验证了离散元模型的可靠性。在辽东湾JZ20-2海域海冰现场监测的基础上,对冰激锥体海洋平台结构的振动响应与海冰参数进行了统计分析。将其与海洋平台结构的有限元模型、简化动力学方法进行了对比,为分析海洋平台结构的冰振响应提供了参考依据。在集成海冰物理力学性质、海冰立体监测、海冰热力学与动力学、海冰离散元模型和冰激结构响应分析等研究成果的基础上,研发了工程海冰数值模拟和预报系统。将该系统在渤海辽东湾冬季油气作业区的海冰管理中进行了初步应用,并通过海洋平台结构的冰振响应现场测量数据进行了验证。该工程海冰数值模拟和预报系统将有助于对油气作业区海冰条件的精确预报,有助于提升冰期海洋平台结构的冰害预警能力。最后,对本论文的主要研究内容进行了总结,并对后续研究的主要问题进行了讨论和展望。
[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 .

【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P731.15;P714.1

【参考文献】