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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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对于浅海区采油平台等设施常采用斜坡式人工岛形式,虽然在一定程度上起到降低海冰对平台的作用,但是海冰沿着斜坡上爬至平台并形成堆积,同样也会对平台设施造成破坏,因此有必要对海冰堆积爬坡的关键参数进行研究。通过在冰排前进方向放置混凝土实体结构物模拟海冰堆积和爬坡过程,分析了模型冰爬坡和下滑角度、最大堆积高度等关键参数以及模型冰断裂长度的统计特性及其与变形模量的关系,试验结果表明水位越高,冰排越容易发生堆积爬坡。破碎的模型冰在结构物前堆积后,形成爬坡角和下滑角。爬坡角随着堆积体的增大而增大,下滑角则逐渐减小。堆积冰高度一定时,高度不再增加,在来冰方向会形成新的堆积。这种现象为浅海区海上结构物的防冰减灾提供了新思路。 相似文献
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船舶在冰区航行中,冰荷载是船舶结构设计和安全航行的重要影响因素。采用具有黏结破碎特征的离散单元法对船舶在平整冰区的航行过程进行了数值分析。在船舶破冰过程的离散元模拟中,平整冰由球形颗粒黏结而成,同时考虑了海水浮力和拖曳力对海冰单元的作用,颗粒间的黏结作用可在海冰与船体的相互作用过程中发生破碎;船体由三角形单元构造,分析了在海水浮力、推进器推力及海冰共同作用下船体的六自由度运动特性。通过船体与海冰相互作用的离散元分析,确定了船舶在破冰过程中海冰作用在船体上的冰荷载,探讨了船舶推进器推力和海冰厚度对冰荷载的影响,并与Lindqvist船体冰阻力经验公式进行了对比。 相似文献
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锥角对锥体结构抗冰性能影响的离散元分析 总被引：1，自引：1，他引：0
在寒区海洋工程中,锥体海洋结构的尺寸参数对其破冰性能具有重要影响。采用具有黏结-破碎功能的离散元方法模拟海冰与锥体结构的相互作用过程中海冰的破坏模式及冰载荷分析。该离散元方法的计算参数通过与渤海油气平台的实测数据对比进行了可靠性验证。在此基础上,当设计海域的潮差固定时,对不同锥角下风电单桩锥体结构的冰载荷和海冰破坏模式进行了离散元分析。计算结果表明:锥体冰载荷随锥角的增大而增大,海冰的平均断裂长度则随锥角的增大而减小;当锥角小于70°时海冰的破碎模式主要为弯曲破坏,而当锥角大于70°时海冰破坏模式则主要为挤压破碎。以上研究结果可为冰区海上风电单桩结构的抗冰锥设计提供参考。 相似文献
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基于广义接触模型的离散元方法及其对船体冰载荷的分析 总被引：1，自引：1，他引：0
冰载荷是影响船舶结构安全的主要环境载荷,因而确定破冰船的冰载荷特征可用于船体结构设计及船舶安全预警分析。海冰作为典型的脆性材料,可采用单元间具有黏结失效效应的离散元方法模拟其破碎行为。为有效地模拟海冰破碎的渐进过程,采用由局部黏结点组成黏结单元的广义接触模型。为分析该模型中直接决定黏结单元失效的强度参数的影响,采用海冰单轴压缩和三点弯曲试验数值模拟进行分析。通过模型试验确定了失效模型中法向黏结强度、切向黏结强度和Mohr-Coulomb准则中的接触摩擦系数的影响。将该数值模型应用于极地科学考察船"雪龙号"的平整冰区冰载荷分析中,并与船舶整体冰阻力经验公式进行了对比验证。 相似文献
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冰脊对极地船舶及海洋工程结构的冰载荷设计及冰区安全运行具有重要的影响,其几何形态是重要的考虑因素。为研究冰脊的几何形态,本文基于Voronoi切割算法构造扩展多面体海冰单元,并使其相互冻结形成平整冰;采用离散单元法模拟海冰在相对运动时挤压形成冰脊的动力过程,统计分析脊帆高度、龙骨宽度、龙骨深度、龙骨水平倾角等主要几何参数,并确定这些几何参数间的对应关系。将离散元模拟结果同冰脊现场观测资料对比分析以验证扩展多面体离散元方法模拟冰脊形成过程的可行性。在此基础上讨论冰厚、冰速、海冰强度等因素对冰脊形态的影响。本文采用离散元方法对冰脊形成过程及几何特性的数值分析可为深入开展冰脊的形成机理及其对船舶、海洋工程结构物的冰载荷分析提供参考依据。 相似文献
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综合考虑欧拉坐标下有限差分法(FDM)在海冰动力学计算中的效率,以及拉格朗日坐标下光滑质点流体动力学方法(SPH)对海冰流变行为的精确模拟,本文发展了一种海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉(HLE)数值方法。该方法首先在拉格朗日坐标下将海冰离散为若干个具有厚度、密集度的海冰质点,并由这些海冰质点通过Gauss函数对欧拉网格上的海冰参量进行积分插值;然后,在欧拉坐标下对海冰动量方程进行差分计算以确定各网格节点的海冰速度,并由此采用Gauss函数积分插值出拉格朗日坐标下各海冰质点的速度分布;最后,通过对海冰质点运动和分布的计算,确定出各海冰质点的位置、厚度和密集度等参量。采用该HLE方法对规则区域内的海冰堆积过程和涡动风场作用下的海冰动力演化趋势进行了数值试验;最后,采用该HLE方法对渤海海冰的动力过程进行了72h数值模拟,其计算结果与卫星遥感图像和现场观测资料吻合较好。以上计算结果均表明该HLE方法在海冰动力学数值模拟中具有较高的计算效率和模拟精度,可用于海冰动力过程的数值模拟。 相似文献
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有冰海域溢油运动数值模型研究 总被引：4，自引：1，他引：3
提出了寒冷海域溢油运动短期数值模型,其中海冰运动预报模型针对不同海冰密集度的本构关系亦不同,在近岸及密集度较高的冰带采用基于连续介质理论的粘塑性本构关系;在冰边缘密集度较低的冰带采用基于离散介质理论的碰撞本构关系计算冰内力;溢油运动预报模型包括连续冰盖及高、中、低密集度冰场中溢油的漂移和扩展过程的预报.模拟计算结果表明模型的建立是合理的.该模型可用于事故溢油预报,为溢油的围收治理提供依据. 相似文献
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由于经验和技术缺失，我国冰区滨海核电站的冷源取水安全受到海冰的威胁。数值模拟预警是建立和完善核电冷源取水安全保障系的关键部分。本文以辽东湾东岸的红沿河核电站为例，介绍了 3 种主要的核电冷源安全海冰致险模式，给出了
不同致险模式的数值模拟预警流程，并对数值模拟范围的选取进行重点阐述。结果表明，满足 24 h 预警需求的海冰数值模拟范围面积在数百甚至数千平方公里以上，较大的模拟范围与高网格分辨率对运算能力提出了较高的要求，是目前该数值模拟预警需要解决的突出问题。 相似文献
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极区海冰影响大气和海洋环流，对全球气候变化起着重要的作用。海冰密集度是表征海冰时空变化特征的重要参数之一。本文研究了利用FY-3C微波扫描辐射计亮温数据反演极区海冰密集度的方法。经过时空匹配、线性回归，修正了FY-3C微波辐射计亮温数据。使用两种天气滤波器和海冰掩模滤除了大气影响所造成的开阔海域虚假海冰；使用最小密集度模板去除陆地污染效应。通过计算2016年、2017年极区海冰面积及范围两个参数，对得到的海冰密集度产品进行了验证，两年的海冰范围和面积趋势基本与NSIDC产品一致，平均差异小于3%。本研究结果为发布我国自主卫星的极区海冰密集度业务化产品奠定了基础，制作的产品可保障面临中断的40多年极区海冰记录的连续性。 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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海冰在结构前的破坏模式以及产生的冰载荷与结构尺度和海冰厚度密切相关。采用海冰离散元方法（DEM）模拟平整冰与直立结构相互作用过程中的海冰破坏模式及整体冰载荷。该离散元方法的计算参数通过与Norstr?msgrund灯塔的现场实测数据对比进行了可靠性验证。在此基础上，对不同宽厚比（结构宽度与海冰厚度的比值）工况下平整冰与直立结构作用过程中的海冰破坏模式和整体冰压力进行了离散元分析。模拟结果表明：当宽厚比＜10时，海冰破坏模式主要为挤压破坏；当10≤宽厚比＜30时，海冰混合破坏发生；当宽厚比≥30时，海冰屈曲破坏发生。从海冰断裂长度与平均冰压力两个方面进一步说明了海冰破坏模式的转变过程。最后，构建了直立结构极值冰压力计算公式。研究成果可为寒区直立结构的整体设计提供参考。 相似文献
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为向拟建、在建和已建冰区所有冷源取水工程海域的海冰环境监测和动态风险预警提供技术支撑，本文构建了海冰–海洋耦合条件下的拉格朗日粒子追踪预测模型，并以辽东湾某核电站取水口为例，模拟并探讨了寒潮天气下高风险冰块在24 h、48 h和72 h的运移轨迹及其进入取水口的概率。结果表明，由于取水口的走向与流向和风向几乎垂直，因此在口门外随机释放的1 200个高风险冰块粒子中只有不到6%的粒子进入到取水口内。通过分区域标识粒子颜色，发现这些粒子多来自于靠近取水口300 m范围内。敏感性分析的结果表明，当释放粒子数量增至5倍时，结论不变。该项研究为冷源取水安全预警提供了一种新方法。 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