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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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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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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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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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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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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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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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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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在寒冷地区,海冰在核电站取水结构物前的堆积会对取水口造成阻塞和损坏,进而影响核电设备的正常运作。以红沿河核电站的取水设施为例,综合考虑该工程海域冰区特点及风和流的作用等因素。建立了海冰的离散元模型,用于模拟海冰在结构物前的堆积和破坏过程。该离散元模型由规则排列的球体颗粒构成,颗粒间采用平行黏结模型进行黏结。考虑了海冰的平均尺寸、密集度及流速三个因素对海冰堆积过程的影响,对海冰堆积高度进行预判。其中,堆积高度随海冰的密集度和流速的增大而增大,而海冰的平均尺寸对堆积高度没有明显影响。分析结果表明,离散元数值模拟可用于评估和预测取水工程中海冰堆积造成堵塞的风险。 相似文献
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In this study, simple shear tests on breakable polydisperse granular materials were simulated using two-dimensional discrete element method (DEM). A new technique of generating polydisperse DEM samples with a smooth and continuous particle size distribution curve was proposed. A modified breakage criterion was introduced to reflect the contact force anisotropy of particles in the numerical sample. The simulation results showed that during the simple shearing, grain crushing in the sample mainly occurred in the contraction process and decreased gradually when the sample began to dilate. As the shearing proceeded to a larger strain, the grain crushing tended to a stable value. This grain crushing trend was in accordance with the evolution of the average normal contact forces of particles in the sample during shearing. The average normal contact forces of potential breakage particles increased in the contraction process and decreased in the dilatancy process. A decrease in the average normal contact forces of potential breakage particles resulted in the decrease in grain crushing during the later stage of shearing. 相似文献
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针对渤海湾某风电场的海上固定式风机支撑结构,采用适用于大直径单桩结构的PSI曲线模拟桩土相互作用,并采用SACS软件建立支撑结构的动力分析模型。首先对支撑结构进行模态分析;其次考虑海冰结构的随机振动作用模式,根据适用于渤海湾的随机冰力谱构造随机冰载荷时程曲线,基于半耦合的时域方法,采用SACS软件对支撑结构进行冰激振动分析,输出塔筒顶部加速度、单桩基底剪力及倾覆力矩等响应参数的时程曲线和响应功率谱;最后针对冰厚、冰速和海冰强度等海冰参数对支撑结构的冰激振动进行敏感性分析。研究结果表明,在随机振动模式下,冰载荷及结构动力响应对冰厚和海冰强度较为敏感,在进行冰激振动分析时应合理确定冰厚和海冰强度等参数。 相似文献
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当船舶在冰区航行时,螺旋桨会与海冰相互碰撞并导致桨叶的变形和损坏,进而影响船舶的航行安全。为研究海冰与螺旋桨的相互作用过程,采用离散元(DEM)—有限元(FEM)耦合方法构建海冰—螺旋桨切削模型。海冰和螺旋桨模型分别采用具有黏结—破碎特性的球体离散单元和8节点六面体有限单元构造。基于该DEM-FEM耦合模型讨论了不同切削深度下,螺旋桨所承受冰载荷的特点和规律;最后,研究了螺旋桨切削海冰过程中进速系数、推力系数、扭矩系数之间的对应关系,并讨论了海冰—螺旋桨相互作用过程中冰压力、Mises应力和变形的分布特点。以上研究可为寒区船舶安全航行和螺旋桨设计提供有益的参考。 相似文献
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内尔斯海峡位于加拿大埃尔斯米尔岛与格陵兰岛之间,是北极海冰输出的重要通道之一,这些海冰融化后带来的表层淡水对巴芬湾、拉布拉多海的深层水形成具有重要影响。但由于该海峡较为狭窄,缺乏对此区域海冰运动情况的精细研究。本研究利用每日的哨兵1号影像提取了2016年9月至2017年8月的内尔斯海峡北部区域海冰运动信息,展示了海峡中浮冰的运动过程,并结合风速、海流速度等数据分析浮冰运动特征及影响因素。结果表明风和海流二者共同主导了海冰的运动过程,相关系数分别达到了0.767和0.709,由风速、海流速度、海冰密集度3个自变量与浮冰速度建立的多元线性回归模型复决定系数也达到了0.727。进一步分析发现,风和海流在速度相对稳定时对浮冰速度的影响都会减小。本研究关于风和海流等要素对海冰运动过程影响的研究结果,可以为海洋–大气动力学模型的研究提供参考。 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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吊舱推进装置在极地船舶中被广泛应用,其转舵模块可以带动螺旋桨摆动从而产生任意方向的推进力,使船舶操纵更为灵活。提出了一种吊舱推进船舶冰区操纵的离散元方法,对具有吊舱推进装置的冰区船舶破冰过程进行了数值模拟。以“雪龙2”号破冰船为研究对象,计算分析了船舶定速直航时的冰阻力,并通过与Lindqvist经验公式的对比验证了冰阻力计算的合理性。在此基础上进一步对船舶在不同冰厚、不同吊舱转向角下的回转破冰运动进行了离散元模拟,分析了回转半径与船长比值随冰厚的变化规律。计算结果表明：船舶的回转性能随冰厚的增大而降低,并随吊舱转向角的增大而显著提高。 相似文献
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渤海海冰特征厚度分析 总被引：8，自引：2，他引：6
通过海冰生消机理和数值试验,讨论了渤海海冰特征厚度的存在条件;对不同厚度的海冰表面温度、冰面热量收支、冰面下热传导和太阳辐射透射量进行了对比分析,分析了渤海海冰向特征冰厚的动态演化过程;在不同气温、风速、相对湿度和海洋热通量等气象和水文条件下,对渤海特征冰厚进行了计算;讨论了海冰生消的动态平衡过程,分析了1997/1998年冬季辽东湾JZ20-2海域实测冰厚与特征冰厚的相互关系。对渤海特征冰厚分析将有助于渤海海冰数值模拟工作的开展和对不同重现期设计冰厚的推算。 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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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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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