中小尺度海冰动力学的粘弹—塑性本构模型及SPH数值模拟
发布时间：2021-11-15 23:03
海冰运动是全球水循环的一个重要环节，对全球的气候变化和寒区海上经济活动都有重要的影响。海冰动力学主要研究海冰在海洋、大气的动力强迫下的运动变化、动量传输及其断裂、重叠和堆积等动力学特征。其中表征海冰内部相互作用的本构模型一直是提高海冰动力学数值模拟精度的关键内容。本文在国家自然科学基金项目“中小尺度海冰动力学的本构模型及数值方法研究”（批准号：40206004）的资助下，对目前海冰动力学本构模型的研究成果进行了系统地总结和分析，在此基础上，根据海冰动力学尺度的定义，以渤海海冰为主要研究对象，针对渤海海冰的特点及其油气开发的需要，对中小尺度下的海冰动力学本构模型进行了研究。系统地介绍了海冰对气候和经济活动的影响，详细地回顾了海冰动力学本构模型的发展历程，并指出了海冰动力学本构模型研究存在的问题和不足。在此基础上，结合渤海海冰的特点，介绍了本论文进行的主要工作。对海冰动力学数值模拟常用的数值方法，如有限差分法、质点网格法和光滑质点流体动力学方法、物质点法等，进行了系统的总结和分析。针对渤海海冰的特点，详细地介绍了本文数值模拟所采用的光滑质点流体动力学方法的基本原理，并建立了适用于本文粘弹-...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
粘塑性海冰动力学本构模烈中小应变率卜应力状态ls9】
合、主动和被动剪切等四种不同的破坏形式。将冰隙的各向性模型相结合，在进行大尺度海冰动力学数值模拟时，可对精确地分析。冰各向异性损伤模型积海冰在风、浪和海流等环境条件下所产生的具有一定长度，可视为具有方位特性的海冰损伤(或裂缝)。这种大尺度下的室内模型实验中冰内裂纹的产生和扩展有很强的相似性189，”3]大尺度海冰现场观测和室内模型实验的基础上，发展了考虑向异性模型，用以模拟海冰堆积、断裂的动力过程。究这种因海冰动力破碎所引起的定向损伤时，Hible:等人将考虑冰隙宽度两种情况，并均采用了Mohr一Coulomb准则作为所示)。该模型中引入了制约比率:一氏/a，，和方位角0两个参的主应力，0为损伤裂缝与a、的夹角。
传统拉格朗日方法中的网格缠绕和扭曲等难题，可避免销蚀网格和网格重分。在海冰动力学SPH模拟中，将模拟的海冰区域分解成足够多个海冰质点(图2)，每个质点都具有各自的质量、动量和能量。从图2.3中可以看出，海冰质点能够较精确地表示出冰边缘线位置。计算域内任意位置处的海冰参量(冰厚、密集度、冰速以及冰内应力等)均可通过一个选定的核函数来由其邻近海冰质点的相应参量积分确定。海冰参量的导数则可通过分部积分，由核函数的导数计算。各海冰质点的速度可由海冰动量方程确定。由于海冰动量方程是在拉格朗日坐标下求解的，平流项直接通过质点的运动来模拟，从而克服了有限差分法计算平流项时的扩散现象，因此能够精确地处理冰边缘线的移动位置。冰内应力可根据选定的本构模型来进行计算。海冰厚度和密集度通过计算调整各海冰质点的光滑长度和质量密度来确定。严格地说，SPH方法是建立在连续介质力学基础上的一种无网格的计算方法。当海冰密集度较高时，SPH方法可精确地计算海冰的连续流变特性:当开阔水的面积足够大，即相邻质点间的距离足够远时，海冰间的相互作用会因核函数的弱化而迅速消失
【参考文献】：
期刊论文
[1]海冰动力学数值模拟中改进的PIC方法[J]. 王瑞学,季顺迎,岳前进. 计算力学学报. 2006(04)
[2]渤海海冰工程设计参数分布[J]. 李志军,Devinder S Sodhi,卢鹏. 工程力学. 2006(06)
[3]南极海冰与我国夏季天气的关系[J]. 马丽娟,陆龙骅,卞林根. 极地研究. 2006(01)
[4]基于质点-网格模式的海冰厚度变化过程数值模拟[J]. 刘煜,吴辉碇,张占海,刘钦政,白珊. 海洋学报(中文版). 2006(02)
[5]极地海冰的研究及其在气候变化中的作用[J]. 唐述林,秦大河,任贾文,康建成. 冰川冻土. 2006(01)
[6]北极海冰变化及其与中国秋季气温的相关分析[J]. 董新宁,孙照渤. 南京气象学院学报. 2006(01)
[7]质点—网格海冰模式在渤海的数值预报试验[J]. 刘煜,白珊,刘钦政,吴辉碇. 海洋预报. 2005(S1)
[8]北极海冰减少的气候效应研究[J]. 魏立新,张海影. 海洋预报. 2005(S1)
[9]EXPERIMENTS OF SEA ICE SIMULATION[J]. LIU Xi-ying, ZHANG Xue-hong, YU Ru-cong,LIU Hai-long, YU Yong-qiang State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (LASG), Institute of Atmospheric Physics (IAP), Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China. Journal of Hydrodynamics（Ser.B）. 2005(06)
[10]浅谈渤海自然灾害对海洋石油安全生产的影响及对策[J]. 马毓倩,刘泽菁,鲁红革. 海洋预报. 2005(04)
博士论文
[1]渤海海冰数值模拟及其工程应用[D]. 季顺迎.大连理工大学 2001
本文编号：3497676
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
粘塑性海冰动力学本构模烈中小应变率卜应力状态ls9】
合、主动和被动剪切等四种不同的破坏形式。将冰隙的各向性模型相结合，在进行大尺度海冰动力学数值模拟时，可对精确地分析。冰各向异性损伤模型积海冰在风、浪和海流等环境条件下所产生的具有一定长度，可视为具有方位特性的海冰损伤(或裂缝)。这种大尺度下的室内模型实验中冰内裂纹的产生和扩展有很强的相似性189，”3]大尺度海冰现场观测和室内模型实验的基础上，发展了考虑向异性模型，用以模拟海冰堆积、断裂的动力过程。究这种因海冰动力破碎所引起的定向损伤时，Hible:等人将考虑冰隙宽度两种情况，并均采用了Mohr一Coulomb准则作为所示)。该模型中引入了制约比率:一氏/a，，和方位角0两个参的主应力，0为损伤裂缝与a、的夹角。
传统拉格朗日方法中的网格缠绕和扭曲等难题，可避免销蚀网格和网格重分。在海冰动力学SPH模拟中，将模拟的海冰区域分解成足够多个海冰质点(图2)，每个质点都具有各自的质量、动量和能量。从图2.3中可以看出，海冰质点能够较精确地表示出冰边缘线位置。计算域内任意位置处的海冰参量(冰厚、密集度、冰速以及冰内应力等)均可通过一个选定的核函数来由其邻近海冰质点的相应参量积分确定。海冰参量的导数则可通过分部积分，由核函数的导数计算。各海冰质点的速度可由海冰动量方程确定。由于海冰动量方程是在拉格朗日坐标下求解的，平流项直接通过质点的运动来模拟，从而克服了有限差分法计算平流项时的扩散现象，因此能够精确地处理冰边缘线的移动位置。冰内应力可根据选定的本构模型来进行计算。海冰厚度和密集度通过计算调整各海冰质点的光滑长度和质量密度来确定。严格地说，SPH方法是建立在连续介质力学基础上的一种无网格的计算方法。当海冰密集度较高时，SPH方法可精确地计算海冰的连续流变特性:当开阔水的面积足够大，即相邻质点间的距离足够远时，海冰间的相互作用会因核函数的弱化而迅速消失
【参考文献】：
期刊论文
[1]海冰动力学数值模拟中改进的PIC方法[J]. 王瑞学,季顺迎,岳前进. 计算力学学报. 2006(04)
[2]渤海海冰工程设计参数分布[J]. 李志军,Devinder S Sodhi,卢鹏. 工程力学. 2006(06)
[3]南极海冰与我国夏季天气的关系[J]. 马丽娟,陆龙骅,卞林根. 极地研究. 2006(01)
[4]基于质点-网格模式的海冰厚度变化过程数值模拟[J]. 刘煜,吴辉碇,张占海,刘钦政,白珊. 海洋学报(中文版). 2006(02)
[5]极地海冰的研究及其在气候变化中的作用[J]. 唐述林,秦大河,任贾文,康建成. 冰川冻土. 2006(01)
[6]北极海冰变化及其与中国秋季气温的相关分析[J]. 董新宁,孙照渤. 南京气象学院学报. 2006(01)
[7]质点—网格海冰模式在渤海的数值预报试验[J]. 刘煜,白珊,刘钦政,吴辉碇. 海洋预报. 2005(S1)
[8]北极海冰减少的气候效应研究[J]. 魏立新,张海影. 海洋预报. 2005(S1)
[9]EXPERIMENTS OF SEA ICE SIMULATION[J]. LIU Xi-ying, ZHANG Xue-hong, YU Ru-cong,LIU Hai-long, YU Yong-qiang State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (LASG), Institute of Atmospheric Physics (IAP), Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China. Journal of Hydrodynamics（Ser.B）. 2005(06)
[10]浅谈渤海自然灾害对海洋石油安全生产的影响及对策[J]. 马毓倩,刘泽菁,鲁红革. 海洋预报. 2005(04)
博士论文
[1]渤海海冰数值模拟及其工程应用[D]. 季顺迎.大连理工大学 2001
本文编号：3497676
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/haiyang/3497676.html
