渤海海冰動(dòng)力過(guò)程的改進(jìn)離散單元方法.pdf

1、近年來(lái)，隨著對(duì)海洋資源來(lái)發(fā)利用的逐步深入，以及全球變暖趨勢(shì)的逐步明顯，海冰作為一種常見的自然現(xiàn)象被廣泛關(guān)注。存在海冰的極區(qū)、副極區(qū)和高緯度寒區(qū)海域人民的生命以及財(cái)產(chǎn)安全每年都會(huì)受到海冰災(zāi)害的威脅，海洋工程設(shè)備被摧毀、航道堵塞、船只停運(yùn)、海域污染以及漁區(qū)休漁等都是海冰災(zāi)害的主要表現(xiàn)。為了保證海洋作業(yè)的安全進(jìn)行，從20世紀(jì)50年代開始研究人員便應(yīng)用海冰監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬、海冰試驗(yàn)等手段對(duì)海冰的物理力學(xué)性質(zhì)、海冰與結(jié)構(gòu)物的相互作用、海冰生消以及海

2、冰的熱力動(dòng)力過(guò)程等方面進(jìn)行了一系列的研究工作。
　　海冰監(jiān)測(cè)的方式組要有海岸站臺(tái)監(jiān)測(cè)、飛機(jī)航測(cè)、破冰船走航監(jiān)測(cè)、雷達(dá)監(jiān)測(cè)、平臺(tái)圖像監(jiān)測(cè)以及衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)等。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)以其監(jiān)測(cè)范圍廣、時(shí)效性好等特點(diǎn)而成為監(jiān)測(cè)全場(chǎng)海冰的有效途徑。在海冰動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方面，人們分別在不同尺度下建立了有限差分、質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格、光滑質(zhì)點(diǎn)流體動(dòng)力學(xué)以及分布質(zhì)量離散塊體模型等基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)思想的方法，以上方法一般采用粘性、黏塑性以及彈塑性本構(gòu)模型。將海冰視為離散單

3、元，人們?cè)谏蟼€(gè)世紀(jì)80年代發(fā)展了海冰動(dòng)力學(xué)離散單元方法與黏彈-塑性本構(gòu)模型，該方法依據(jù)海冰的分布狀態(tài)將其離散成多個(gè)具有厚度、尺寸和速度的計(jì)算單元。當(dāng)考慮冰塊凍結(jié)時(shí)，該方法還能夠合理地模擬海冰動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的斷裂、重疊和堆積現(xiàn)象，具有物理意義明確、計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)。但是由于離散單元模型在計(jì)算上采用顯式計(jì)算，并且單元數(shù)量龐大，其計(jì)算效率明顯低于其他計(jì)算模型。
　　為了更好的改進(jìn)和完善海冰動(dòng)力學(xué)離散單元模型，本文針對(duì)海冰生消運(yùn)移過(guò)程中的非

4、連續(xù)分布和形變特性，建立了適用于海冰動(dòng)力過(guò)程的改進(jìn)離散單元模型(MDEM)。不同于傳統(tǒng)離散單元方法，該模型將海冰離散為具有一定厚度、尺寸、密集度的圓盤單元。每個(gè)海冰單元設(shè)為諸多浮冰塊的集合體，其在運(yùn)移和相互接觸碰撞過(guò)程中在質(zhì)量守恒的條件下會(huì)發(fā)生單元尺寸、密集度和厚度的相應(yīng)變化。基于海冰離散性和流變性的特點(diǎn)，該模型采用粘彈性接觸模型計(jì)算單元間的作用力，并依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則建立海冰法向作用下的塑性變形及切向摩擦力。在搜索方式上

5、使用格柵搜索法，并在此基礎(chǔ)上引用快速排序思想，節(jié)省了計(jì)算內(nèi)存，提高了計(jì)算效率。
　　準(zhǔn)確的海冰初始場(chǎng)是海冰動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果有效性的前提，本文以精準(zhǔn)提取海冰初始場(chǎng)為目的，研究并開發(fā)了海冰衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)投票算法、去噪算法、圖像二值化算法等數(shù)字圖像處理技術(shù)及海岸線嵌入及像素點(diǎn)顏色替換等處理方法，可以對(duì)絕大多數(shù)的海冰衛(wèi)星圖片進(jìn)行處理并對(duì)海冰的位置、密集度、尺寸信息進(jìn)行高精度提取，并為海冰動(dòng)力學(xué)計(jì)算提供可靠的初始場(chǎng)。

6、r>　　為驗(yàn)證以上方法和系統(tǒng)的實(shí)用性與準(zhǔn)確性，本文對(duì)海冰在規(guī)則水域內(nèi)的運(yùn)移、堆積和輻散過(guò)程進(jìn)行了離散元分析，計(jì)算結(jié)果與解析解具有較高一致性;此外，對(duì)旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)下的海冰漂移規(guī)律的模擬也具有良好的精確性和計(jì)算效率;應(yīng)用衛(wèi)星圖像處理系統(tǒng)對(duì)2001年1月15日、2010年1月22日、2013年2月15這三天渤海海冰初始場(chǎng)信息進(jìn)行了提取，并應(yīng)用改進(jìn)離散單元方法對(duì)2010年1月22日的海冰進(jìn)行了48小時(shí)的數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與衛(wèi)星遙感資料和油氣作業(yè)區(qū)的