基于FLUENT的北極海冰三維溫度場數(shù)值仿真和融化模擬.pdf

1、海冰是北極氣候和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的重要成員之一，在北極的浮冰帶，海洋與大氣之間的熱量交換受到海冰的強(qiáng)烈影響，同時海冰與其下海水之間的熱力和動力相互作用不僅會影響到海洋環(huán)流以及溫、鹽的分布，也會對海冰的增長、消融、運(yùn)動等產(chǎn)生顯著的影響。由于海冰的存在，在大氣-海洋間形成了“隔熱層”，使海洋與大氣之間原有的感熱和潛熱交換發(fā)生了變化，這種變化反過來又會對海冰自身的生消變化造成影響。因此，本文應(yīng)用大型CFD流體仿真軟件FLUENT，研究北極海冰在不

2、同的天氣條件下，與周圍大氣和海洋的熱量交換以及海冰的融化情況。本文的主要研究內(nèi)容包括:
　　 (1)建立海冰、大氣和海水三者的幾何模型，并在ANSYS Workbench中將三者耦合起來，在海冰-大氣和海冰-海水的交界面處分別形成兩對耦合面(couple)，在進(jìn)行Fluent求解前，設(shè)置流動的大氣和海水的速度入口邊界條件和壓力出口邊界條件，對耦合面上(wall)無需設(shè)置任何參數(shù)，由Fluent迭代求解出兩對耦合面上的對流換熱量以

3、及海冰內(nèi)部溫度的分布情況，同時與流體力學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)公式以及其他研究方法（一維海冰模式）的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，分析誤差，驗(yàn)證仿真計(jì)算的可靠性和有效性。結(jié)果表明，F(xiàn)luent仿真計(jì)算值與一維海冰模式中冰-氣間感熱的計(jì)算公式所得到的值之間的誤差，隨著風(fēng)速的增加呈現(xiàn)上升的趨勢。說明采用Fluent計(jì)算模擬較小風(fēng)速下海冰與大氣之間的感熱交換具有較高的可靠性。
　　 (2)建立海冰模型，定義海冰與大氣接觸的上表面和與海水接觸的下表面，通過分別設(shè)

4、置上、下表面與大氣、海水之間的對流傳熱系數(shù)和流動大氣、海水的溫度，研究在穩(wěn)態(tài)定常情況下，改變風(fēng)速時，海冰與周圍環(huán)境的熱量交換以及海冰內(nèi)部溫度分布情況的變化。同時，研究在不同的大氣條件下（氣溫不同），海冰的融化情況。結(jié)果表明:當(dāng)氣溫高于海冰的融化溫度時，風(fēng)速越大，海冰的融化區(qū)域也越大。同時，風(fēng)速對海冰上表面融化的影響要大于其對底面融化和側(cè)面融化的影響;當(dāng)氣溫低于海冰的融化溫度時，風(fēng)速越大，海冰整體的融化區(qū)域越小，同時隨風(fēng)速的增大，海冰上表