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冰动力学的拉格郎日离散元模式 总被引：5，自引：0，他引：5
本文描述一种应用于河冰和海冰动力学研究的平滑质点流体力学的离散元模式。该离散元方法是一种自由拉格郎日方法,和传统的欧拉网格数值方法相比,它具有较小的数值扩散并且能够更加灵活地处理复杂的冰过程等许多优点。本文首先给出海冰动力学的离散元模式的基本方法,并与欧拉有限差分方法和半拉格郎日的质点一网格方法进行了对比,其次,本文还给出了离散元海冰模式在渤海的一个应用。 相似文献
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海冰动力过程的改进离散元模型及在渤海的应用 总被引：1，自引：0，他引：1
海冰的断裂、重叠和堆积等离散分布特性广泛地存在于极区和副极区的不同海域,并对海冰的生消、运移过程有着重要影响。针对海冰在不同尺度下的离散分布特点,发展海冰动力过程的离散元方法有助于完善海冰数值模式,提高海冰数值模拟的计算精度。为此,本文针对海冰生消运移过程中的非连续分布和形变特性,发展了适用于海冰动力过程的改进离散元模型(MDEM)。不同于传统离散元方法,该模型将海冰离散为具有一定厚度、尺寸和密集度的圆盘单元。海冰单元设为诸多浮冰块的集合体,其在运移和相互接触碰撞过程中,依照质量守恒发生单元尺寸、密集度和厚度的相应变化。基于海冰离散性和流变性的特点,该模型采用黏弹性接触本构模型计算单元间的作用力,并依据Mohr-Coulomb准则计算海冰法向作用下的塑性变形及切向摩擦力。为验证该模型的可靠性,本文对海冰在规则水域内的运移和堆积过程进行了分析,离散元计算结果与解析值相一致;此外,对旋转风场下海冰漂移规律的模拟进一步验证了本文方法的精确性。在此基础上,对渤海辽东湾的海冰动力过程进行了48h数值分析,计算结果与卫星遥感资料和油气作业区的海冰现场监测数据吻合良好。在下一步工作中将考虑海冰离散元模拟中的热力因素影响,发展具有冻结、断裂效应的海冰离散元模型,更精确地模拟海冰动力-热力耦合作用下的生消和运移过程。 相似文献
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基于Mohr-Coulomb准则的黏弹-塑性海冰动力学本构模型 总被引：10，自引：1，他引：10
针对中小尺度下海冰动力作用过程中的漂移、重叠和堆积特征,在连续介质力学基础上建立了一个黏弹塑性海冰动力学本构模型.该模型主要包括四部分,即海冰在屈服前的Kelvin Vogit黏弹模型、海冰塑性屈服的Mohr Coulomb准则、屈服后相关联的正交流动法则和影响海冰强度的静水压力.采用黏弹塑性本构模型对规则海域内的海冰堆积过程进行了数值试验,其结果与传统黏塑性模型、改进的黏塑性模型和经典冰坝理论的解析解相符,可合理地模拟海冰堆积的动力过程.为进一步检验该黏弹塑性本构模型的适用性,对渤海海冰的动力过程进行了48h的数值模拟,计算结果与海冰卫星遥感现场观测资料一致.通过与传统的黏塑性和改进的黏塑性模型结果的对比分析,进一步验证了黏弹塑性模型在中小尺度海冰动力学模拟中的可靠性.在以上海冰堆积的数值试验和渤海海冰动力学模拟中均采用了光滑质点流体动力学(SPH)方法. 相似文献
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渤海海冰漂移数值研究 总被引：1，自引：0，他引：1
本文利用海冰－海洋动力耦合模式对渤海典型天气形势下海冰动力过程作了数值模拟，海冰模式建立在动量和质量守恒基础上，忽略了海冰变化的热力过程。海冰厚度被划分为三类：堆积冰、平整冰和开阔冰，冰的形变由一个厚度的重新分布约束条件确定。海洋模式是一个二维风暴潮模式．同时考虑了潮汐的作用。风场资料来自于沿岸气象观测站每日四次的风观测，计算网格是十分之一经纬度。主要的分析和模拟是在大气和海洋共同作用下海冰的漂流特点。观测结果比较表明，数值模拟结果基本上反映了该海域流冰的漂移性质，同时也可为短期冰情预报提供有益的参考。 相似文献
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该项工作使用海冰动力模式对黄、渤海海冰厚度、密集度、漂流速度和流冰外缘线进行了模拟和试报。试报结果比较真实地再现了渤海冰情,具有很大的使用价值。为充分发挥预报的作用,进一步满足不同形式作业的要求,本文首次尝试用计算的网格点上冰情的时间变化提供定点定时冰情预报图。这种预报针对性强,具有使用简单、方便、准确的特点。 相似文献
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杨宗严 《中国海洋大学学报(自然科学版)》1993,(4)
应用弱非线性理论导出了狭窄型河口内拉格朗日余流的控制方程和溶解质长期输运方程,并应用流速分解法和B—样条配置技术建立了潮汐及拉格朗日余流的数值模型,应用欧拉—拉格朗日方法和B—样条配置技术建立了长期物质输运方程的数值模型,对狭窄型河口内潮致—斜压拉格朗日余环流进行了研究。结果表明,河口垂向拉格朗日余环流,不同于欧拉余环流,呈现一种较复杂的流型,在盐水入侵界的上游可能存在一涡旋。作者提出,将河口按余环流生成机制和水动力特征分为斜压,潮控及河流三个区。 相似文献
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本文利用海冰－海洋动力耦合模式对渤海典型天气形势下海冰动力过程作了数值模拟，海冰模式建立在动量和质量守恒基础上，忽略了海冰变化的热力过程。海冰厚度补划分为三类：堆积冰、平整冰和开阔冰，冰的形变由一个厚度的重新分布约束条件确定，海洋模式是一个二维风暴潮模式，同时考虑了潮汐的作用。风场资料来自于沿岸气象观测站每日四次的风观测。计算网络是十分之一经纬度。主要的分析和模拟是在大气和海洋共同作用下海洋的漂流 相似文献
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A hybrid Lagrangian-Eulerian(HLE) method is developed for sea ice dynamics,which combines the high computational efficiency of finite difference method(FDM) with the high numerical accuracy of smoothed particle hydrodynamics(SPH).In this HLE model,the sea ice cover is represented by a group of Lagrangian ice particles with their own thicknesses and concentrations.These ice variables are interpolated to the Eularian gird nodes using the Gaussian interpolation function.The FDM is used to determine the ice velocities at Eulerian grid nodes,and the velocities of Lagrangian ice particles are interpolated from these grid velocities with the Gaussian function also.The thicknesses and concentrations of ice particles are determined based on their new locations.With the HLE numerical model,the ice ridging process in a rectangular basin is simulated,and the simulated results are validated with the analytical solution.This method is also applied to the simulation of sea ice dynamics in a vortex wind field.At last,this HLE model is applied to the Bohai Sea,and the simulated concentration,thickness and velocity match the satellite images and the field observed data well. 相似文献
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Modified PIC Method for Sea Ice Dynamics 总被引：1，自引：0，他引：1
The sea ice cover displays various dynamical characteristics such as breakup, rafting, and ridging under external forces. To model the ice dynamic process accurately, the effective numerical modeling method should be established. In this paper, a modified particle-in-cell （PIC） method for sea ice dynamics is developed coupling the finite difference （FD） method and smoothed particle hydrodynamics （SPH）. In this method, the ice cover is first discretized into a series of lagrangian ice particles which have their own sizes, thicknesses, concentrations and velocities. The ice thickness and concentration at Eulerian grid positions are obtained by interpolation with the Gaussian function from their surrounding ice particles. The momentum of ice cover is solved with FD approach to obtain the Eulerian cell velocity, which is used to estimate the ice particle velocity with the Gaussian function also. The thickness and concentration of ice particles are adjnsted with particle mass density and smooth length, which are adjusted with the redistribution of ice particles. With the above modified PIC method, numerical simulations for ice motion in an idealized rectangular basin and the ice dynamics in the Bohai Sea are carried out. These simulations show that this modified PIC method is applicable to sea ice dynamics simulation. 相似文献
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Considering the discontinuous characteristics of sea ice on various scales,a modified discrete element model（DEM） for sea ice dynamics is developed based on the granular material rheology.In this modified DEM,a soft sea ice particle element is introduced as a self-adjustive particle size function.Each ice particle can be treated as an assembly of ice floes,with its concentration and thickness changing to variable sizes under the conservation of mass.In this model,the contact forces among ice particles are calculated using a viscous-elastic-plastic model,while the maximum shear forces are described with the Mohr-Coulomb friction law.With this modified DEM,the ice flow dynamics is simulated under the drags of wind and current in a channel of various widths.The thicknesses,concentrations and velocities of ice particles are obtained,and then reasonable dynamic process is analyzed.The sea ice dynamic process is also simulated in a vortex wind field.Taking the influence of thermodynamics into account,this modified DEM will be improved in the future work. 相似文献
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锥体导管架海洋平台冰激振动的DEM-FEM耦合分析及高性能算法 总被引：1，自引：0，他引：1
在寒区海域,冰荷载是影响海洋平台安全运行的主要环境荷载之一,由其引起的冰激振动给平台结构及其上部设备带来了严重危害。为分析不同冰况下平台的振动响应,本文建立了导管架海洋平台冰激振动的离散元（DEM）-有限元（FEM）耦合模型。采用具有黏接-破碎性能的等粒径球体离散单元对海冰的破碎特性进行模拟,通过由梁单元构建的海洋平台有限元模型获得结构的振动响应。在离散元与有限元的接触区域中实现了两个模型间计算参数的传递。为提高该耦合模型的计算效率和规模,发展了基于动力子结构方法的DEM-FEM耦合模型。为验证该耦合模型的有效性和可行性,将不同冰况下得到的冰荷载与ISO19906和JTS 144-1-2010标准进行了对比。结果表明,计算得到的冰荷载与标准相近,且冰厚与冰荷载呈二次非线性关系。同时,从冰速和冰厚两方面对比了渤海四桩腿JZ20-2 MUQ锥体导管架平台冰激振动加速度的数值结果和现场实测数据,发现冰速与振动加速度呈线性关系,冰厚与振动加速度呈二次非线性关系,并且振动加速度与冰速和冰厚平方的乘积呈线性关系。 相似文献
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Numerical modelling of coastal flows is a challenging topic due to complex topography of the coastal zone, rapid flow dynamics and large density variations. Such phenomena are best simulated with unstructured grid models due to their highly flexible spatial discretisation. This article presents a three-dimensional discontinuous Galerkin finite element marine model. Discontinuous Galerkin spatial discretisation is combined with an explicit mode splitting time integration scheme. Slope limiters are introduced to guarantee high quality of the tracer fields in the presence of strong gradients. Free surface movement is accounted for by means of an Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) moving mesh method. Water volume and tracers are conserved. The conservation properties and baroclinic adjustment under gravity are tested with numerical benchmarks. Finally, the model is applied to the Rhine river plume in an idealised setting. 相似文献
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A viscoelastic-plastic constitutive model with Mohr-Coulomb yielding criterion for sea ice dynamics 总被引：2，自引：0，他引：2
A new viscoelastic-plastic （VEP） constitutive model for sea ice dynamics was developed based on continuum mechanics. This model consists of four components： Kelvin-Vogit viscoelastic model, Mohr-Coulomb yielding criterion, associated normality flow rule for plastic rehololgy, and hydrostatic pressure. The numerical simulations for ice motion in an idealized rectangular basin were made using smoothed particle hydrodynamics （SPH） method, and compared with the analytical solution as well as those based on the modified viscous plastic（VP） model and static ice jam theory. These simulations show that the new VEP model can simulate ice dynamics accurately. The new constitutive model was further applied to simulate ice dynamics of the Bohai Sea and compared with the traditional VP, and modified VP models. The results of the VEP model are compared better with the satellite remote images, and the simulated ice conditions in the JZ20-2 oil platform area were more reasonable. 相似文献
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南大洋在全球气候系统中起着重要的作用,对世界大洋水团的形成有重要的影响。在世界大洋中,约有55%-60%的海水特性应当归结于南大洋的物理过程。目前,南大洋的研究已得到各国海洋学者的日益关注,进展较大。但是,对于地处印度洋扇形区的普里兹湾海区的观测和研究则相对较少,其结果的差别甚大。例如底层水形成问题,有些研究者认为这一海区的底层水主要来源于威德尔海和罗斯海,本区内对底层水的贡献即使有,也是非常小的(Smith et al.,1984; Mantyla et al.,1995)。而有些研究者则从观测资料中找到了底层水有可能形成的迹象。就目前研究的结果来看,有些年份,如1982年(Middleton et al.,1989),1987年(Woehler et al.,1988),1991年(乐肯堂等,1996)均发现了异常高盐的陆架水,它有可能与深层水混合而形成底层水。对于该海区的环流特别是深层环流迄今为止也是知之甚少。大多数研究是基于动力高度的计算结果( Grigor yev,1967;Smith et al.,1984,1993;Middleton et al.,1989),但他们给出的环流型式相互之间差异很大。这些差异的存在,虽然确有年际变化等因素,但也不能排除研究方法本身的局限。该海区地形复杂(图1),海冰有显著的季节变化和年际变化(Allison et al.,1993,1994),使得该海区的物理海洋状况非常复杂。南极地区由于环境恶劣,海洋观测集中在夏季,并且资料的连续性较差,因而使传统的研究方法受到很大限制。为了充分发挥有限的实测资料的作用,采用合理的动力学和热力学模式并利用数值方法求解模式方程,不失为一种有效的研究途径。迄今为止,这一海区的数值研究还很少,考虑热力学作用的模式则尚未见诸报道。本文将利用最新的资料和模式,并在模式中同时考虑动力学和热力学的作用,用以研究普里兹湾海区的环流与海冰的动力学和热力学过程。以往的研究发现、等密面分析是研究普里兹湾海区混合与环流的有效方法(乐肯堂等,1997),我们将采用国际上新近发展起来的一种基于等密面的数值计算模式,研究普里兹湾海区环流和海冰的季节变化。这一工作将有助于进一步解决该海区南极底层水的形成问题,因而对于深入认识该海区在南大洋环流系统以至全球气候系统中的作用有重要意义。 相似文献
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Numerical simulation for dynamical processes of sea ice 总被引：1，自引：0，他引：1
ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｄｙｎａｍｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｓｅａｉｃｅＷｕＨｕｉｄｉｎｇ，ＢａｉＳｈａｎ，ＺｈａｎｇＺｈａｎｈａｉａｎｄＬｉＧｕｏｑｉｎｇ（ＲｅｃｅｉｖｅｄＭａｙ１６，１９９６；ａｃｃｅｐｔｅｄＪａｎｕａｒｙ... 相似文献