冰底形態(tài)對流場特性影響的數(shù)值模擬研究.pdf

1、海冰作為影響全球氣候變化的一個(gè)重要因素，近些年越來越受到物理海洋學(xué)家、氣候?qū)W家的廣泛關(guān)注。海冰運(yùn)動(dòng)作為全球水循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)之一，對寒區(qū)海上經(jīng)濟(jì)活動(dòng)以及資源開發(fā)有著重要的影響和作用。海冰在海洋、大氣的動(dòng)力強(qiáng)迫作用下的運(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)特性是海冰動(dòng)力學(xué)主要研究內(nèi)容。海冰與大氣、海洋間的動(dòng)力作用主要表現(xiàn)為風(fēng)、流對海冰的拖曳力，這與用于描述海冰動(dòng)力學(xué)模型中的參數(shù)—拖曳系數(shù)有著直接關(guān)系。由于海冰所受的風(fēng)、流拖曳力的

2、大小直接影響到海冰漂移速度、軌跡，甚至關(guān)系到海冰間相互作用的動(dòng)力和破壞等問題，因此從上個(gè)世紀(jì)50年代起就開始對海冰拖曳系數(shù)進(jìn)行了廣泛研究。
　　根據(jù)現(xiàn)場海冰觀測及傳統(tǒng)海冰拖曳系數(shù)測量法渦動(dòng)法、剖面法、動(dòng)量法已得到過某些海域海冰的拖曳系數(shù)值，但往往均取為定值且多集中在冰-氣界面上，同時(shí)具有較大的離散型。為了提高拖曳系數(shù)的準(zhǔn)確性，完善海冰動(dòng)力學(xué)模型的精度，海冰拖曳系數(shù)的參數(shù)化方法研究已經(jīng)成為海冰動(dòng)力學(xué)模型中的研究重點(diǎn)。本文將在開展的冰

3、下流場觀測的物理模型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法對冰下流場的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的拓展，從而可得到冰下流場的一些定性規(guī)律，并獲得孤立冰塊形拖曳系數(shù)、摩拖曳系數(shù)和冰幾何參數(shù)之間的關(guān)系，為將來海冰拖曳系數(shù)參數(shù)化提供基礎(chǔ)的技術(shù)支持。同時(shí)，數(shù)值模擬還可以對物理模型實(shí)驗(yàn)中沒有觀測到的現(xiàn)象進(jìn)行研究，進(jìn)一步深入了解冰-水動(dòng)力相互作用的細(xì)節(jié)問題。
　　論文主要內(nèi)容分為以下五章:第一章緒論部分，主要介紹了課題研究背景及國內(nèi)外研究概況和發(fā)展趨勢，闡述本

4、研究理論意義和應(yīng)用價(jià)值。第二章在簡要概括傳統(tǒng)獲取拖曳系數(shù)方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹海冰拖曳系數(shù)參數(shù)化的主要思想及具體過程。描述相關(guān)物理拖曳實(shí)驗(yàn)方案與過程，其中包括拖曳力的測量裝置及實(shí)驗(yàn)工況安排等。第三章是建立二維數(shù)學(xué)模型，介紹相應(yīng)的數(shù)值模擬方法包括控制方程、湍流模型、網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定和數(shù)值計(jì)算方法等。第四章為數(shù)值模擬及模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比驗(yàn)證。針對光滑冰底冰塊進(jìn)行二維數(shù)值模擬，分別得到5種不同入水深度、8種水流速度共40種工況下的冰下流場

5、分布及冰塊所受流體拖曳力。分析了冰下及冰后流場動(dòng)力學(xué)特性。結(jié)果顯示，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了該數(shù)值模型在模擬冰下流場及拖曳力時(shí)的有效性。第五章針對兩種不同底紋傾角的粗糙底面浮冰模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析各工況下流場分布特性及相互之間的聯(lián)系、計(jì)算浮冰所受拖曳力值并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明:同種水深下，粗糙冰底浮冰模型的冰下流場受影響區(qū)域范圍隨底紋角度的增加而增大，且30°傾角產(chǎn)生的渦的范圍在冰下流場要大于15°情況