渤海海冰动力过程的改进离散单元方法

发布时间：2018-01-22 12:44

本文关键词： 渤海海冰海冰动力学改进离散单元法海冰图像卫星遥感　出处：《大连理工大学》2014年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,随着对海洋资源来发利用的逐步深入,以及全球变暖趋势的逐步明显,海冰作为一种常见的自然现象被广泛关注。存在海冰的极区、副极区和高纬度寒区海域人民的生命以及财产安全每年都会受到海冰灾害的威胁,海洋工程设备被摧毁、航道堵塞、船只停运、海域污染以及渔区休渔等都是海冰灾害的主要表现。为了保证海洋作业的安全进行,从20世纪50年代开始研究人员便应用海冰监测、数值模拟、海冰试验等手段对海冰的物理力学性质、海冰与结构物的相互作用、海冰生消以及海冰的热力动力过程等方面进行了一系列的研究工作。海冰监测的方式组要有海岸站台监测、飞机航测、破冰船走航监测、雷达监测、平台图像监测以及卫星遥感监测等。卫星遥感监测以其监测范围广、时效性好等特点而成为监测全场海冰的有效途径。在海冰动力学数值模拟方面,人们分别在不同尺度下建立了有限差分、质点网格、光滑质点流体动力学以及分布质量离散块体模型等基于连续介质力学思想的方法,以上方法一般采用粘性、黏塑性以及弹塑性本构模型。将海冰视为离散单元,人们在上个世纪80年代发展了海冰动力学离散单元方法与黏弹-塑性本构模型,该方法依据海冰的分布状态将其离散成多个具有厚度、尺寸和速度的计算单元。当考虑冰块冻结时,该方法还能够合理地模拟海冰动力学过程中的断裂、重叠和堆积现象,具有物理意义明确、计算精度高的优点。但是由于离散单元模型在计算上采用显式计算,并且单元数量庞大,其计算效率明显低于其他计算模型。为了更好的改进和完善海冰动力学离散单元模型,本文针对海冰生消运移过程中的非连续分布和形变特性,建立了适用于海冰动力过程的改进离散单元模型(MDEM)。不同于传统离散单元方法,该模型将海冰离散为具有一定厚度、尺寸、密集度的圆盘单元。每个海冰单元设为诸多浮冰块的集合体,其在运移和相互接触碰撞过程中在质量守恒的条件下会发生单元尺寸、密集度和厚度的相应变化。基于海冰离散性和流变性的特点,该模型采用粘弹性接触模型计算单元间的作用力,并依据Mohr-Coulomb准则建立海冰法向作用下的塑性变形及切向摩擦力。在搜索方式上使用格栅搜索法,并在此基础上引用快速排序思想,节省了计算内存,提高了计算效率。准确的海冰初始场是海冰动力学计算结果有效性的前提,本文以精准提取海冰初始场为目的,研究并开发了海冰卫星遥感监测图像处理系统。该系统通过投票算法、去噪算法、图像二值化算法等数字图像处理技术及海岸线嵌入及像素点颜色替换等处理方法,可以对绝大多数的海冰卫星图片进行处理并对海冰的位置、密集度、尺寸信息进行高精度提取,并为海冰动力学计算提供可靠的初始场。为验证以上方法和系统的实用性与准确性,本文对海冰在规则水域内的运移、堆积和辐散过程进行了离散元分析,计算结果与解析解具有较高一致性；此外,对旋转风场下的海冰漂移规律的模拟也具有良好的精确性和计算效率；应用卫星图像处理系统对2001年1月15日、2010年1月22日、2013年2月15这三天渤海海冰初始场信息进行了提取,并应用改进离散单元方法对2010年1月22日的海冰进行了48小时的数值模拟,计算结果与卫星遥感资料和油气作业区的海冰现场监测数据吻合良好。
[Abstract]:In recent years , with the gradual deepening of the use of marine resources and the gradual change of global warming trend , sea ice has been widely regarded as a common natural phenomenon . In order to ensure the safety of sea ice disaster , marine engineering equipment has been destroyed , channel blockage , ship shutdown , sea pollution and fishing area recreation , etc . are the main manifestations of sea ice disaster . In order to ensure the safety of marine operation , researchers have carried out a series of research on the physical and mechanical properties of sea ice , the interaction between sea ice and structure , sea ice production and the thermal power process of sea ice . On the basis of the numerical simulation of sea ice dynamics , the method of discrete element method and viscoelastic - plastic constitutive model of sea ice has been developed in the 1980s . In order to improve and perfect the discrete unit model of sea ice dynamics , this paper establishes an improved discrete unit model ( MGM ) suitable for sea ice dynamic process . It is different from the traditional discrete unit method . The accurate sea ice initial field is the precondition for the validity of the calculation result of sea ice dynamics . This paper studies and develops the sea ice satellite remote sensing monitoring image processing system by means of voting algorithm , denoising algorithm , image binarization algorithm , etc . The system can process most of the sea ice satellite images and extract the position , density and size information of sea ice with high precision , and provide reliable initial field for the calculation of sea ice dynamics . In order to verify the practicability and accuracy of the above methods and systems , this paper makes a discrete element analysis on the migration , accumulation and divergence of sea ice in the regular waters . The results show that the simulation of the sea ice drift law in the rotating wind field has good accuracy and computational efficiency . The application of the improved discrete unit method is a numerical simulation of the sea ice on Jan . 22 , 2010 . The results are in good agreement with the satellite remote sensing data and the sea ice field monitoring data in the oil and gas operation area .

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

【参考文献】