基于強(qiáng)度試驗和立體監(jiān)測的海冰離散元模型及工程應(yīng)用.pdf

1、博士學(xué)位論文基于強(qiáng)度試驗和立體監(jiān)測的海冰Discreteelmentmodelofsea—icebasedonstrengthexperimentsandcomprehensivemonitoringsanditsEngineeringapplication學(xué)號：一』903012完成日期：2Q!壘生魚旦DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要作為一種自然現(xiàn)象，海冰在大氣和海洋作用下呈現(xiàn)出復(fù)雜的

2、熱力動力過程，并約占全球海洋表面的10％。在海冰覆蓋區(qū)域，冰蓋往往處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并容易破碎形成浮冰塊。浮冰在風(fēng)和海流的作用下可以達(dá)到快速的漂移速度，并且漂移方向不斷轉(zhuǎn)換。這增加了海冰監(jiān)測和數(shù)值預(yù)報的難度，給寒區(qū)海上油氣作業(yè)、船舶航行、漁業(yè)養(yǎng)殖和科學(xué)研究等帶來很大的威脅。然而，隨著全球氣候的變暖與能源供應(yīng)的緊張，人們在寒區(qū)的活動呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。海冰無疑增加了人們在該區(qū)域活動的工程復(fù)雜性。如何應(yīng)對不利的海冰環(huán)境進(jìn)而保證人們活動的安全性

3、與經(jīng)濟(jì)性，將是拓展寒區(qū)開發(fā)空間需要面對的新挑戰(zhàn)。本文以海冰物理力學(xué)性質(zhì)試驗與不同尺度上海冰要素(厚度、密集度與速度)的立體監(jiān)測為基礎(chǔ)，分析工程海冰的力學(xué)性質(zhì)，研究海冰要素的動力特性。利用符合蓄能方式的海冰熱力學(xué)數(shù)值方法與反映海冰非連續(xù)分布特性的離散單元方法，‘建立了海冰數(shù)值預(yù)測的高精度數(shù)值模型。在以上研究的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研發(fā)了用于油氣作業(yè)區(qū)海冰管理的工程海冰數(shù)值模擬和預(yù)報系統(tǒng)。本文工作主要包括以下研究內(nèi)容：首先，通過環(huán)渤海沿岸海冰的

4、物理力學(xué)性質(zhì)試驗分析了海冰彎曲強(qiáng)度、單軸壓縮強(qiáng)度與側(cè)限壓縮強(qiáng)度的影響因素，并重點確立了海冰強(qiáng)度在多因素影響下的基本特性；在此基礎(chǔ)上，給出了海冰強(qiáng)度在應(yīng)力速率與鹵水體積(為冰溫和鹽度的函數(shù))影響下的分布規(guī)律。此外，利用外包絡(luò)線方法給出了極限條件下壓縮強(qiáng)度的分布函數(shù)，并分析了側(cè)限應(yīng)力對海冰壓縮強(qiáng)度的影響；最后分析了海冰單軸壓縮、彎曲和剪切強(qiáng)度在鹵水體積和應(yīng)力速率影響下的統(tǒng)一表征形式。其次，針對渤海海冰的動力學(xué)特性，以海洋油氣平臺為依托建立了

5、海冰現(xiàn)場監(jiān)測和雷達(dá)圖像采集分析系統(tǒng)，并與衛(wèi)星遙感圖像相結(jié)合實現(xiàn)了對海冰動力要素的立體監(jiān)測。以此為基礎(chǔ)，分析了局地海冰密集度、浮冰面積、海冰流速和海冰斷裂等海冰要素及其動力學(xué)行為的演化規(guī)律，增強(qiáng)了對海冰動力學(xué)行為的深入理解。通過對遼東灣JZ202海域的冰速統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)該海域的冰速概率密度符合瑞利分布，而海冰漂移方向則符合雙峰正態(tài)概率密度分布，且海冰速大小與方向相關(guān)性較小。利用局地海域平均速度的概念，給出了在潮流、風(fēng)等外力作用下海冰漂移軌