基于强度试验和立体监测的海冰离散元模型及工程应用

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1、万方数据博士学位论文基于强度试验和立体监测的海冰Discreteelmentmodelofsea—icebasedonstrengthexperimentsandcomprehensivemonitoringsanditsEngineeringapplication学号：一』903012完成日期：2Q!垒生鱼旦DalianUniversityofTechnology煳揪万方数据大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研

2、究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：基于强度试验和立体监测的海冰离散元模型及工程应用储虢幻咖／饵9月／'1日大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编

3、本学位论文。储签耱懿期珈仫柙影日导师签名翻款抄期：劲缈嘲月眈答辩委员会主席：日期：列f1侔罗月以日侮。飘翻万方数据大连理工大学博士学位论文摘要作为一种自然现象，海冰在大气和海洋作用下呈现出复杂的热力．动力过程，并约占全球海洋表面的10％。在海冰覆盖区域，冰盖往往处于不稳定状态，并容易破碎形成浮冰块。浮冰在风和海流的作用下可以达到快速的漂移速度，并且漂移方向不断转换。这增加了海冰监测和数值预报的难度，给寒区海上油气作业、船舶航行、渔业养殖和科学研究等带来很大的威胁。然而，随着全球气候的变暖与能源供应的紧张，人们在寒区的活动呈现不断增加的趋势。海冰无疑增加了人们在该区域活

4、动的工程复杂性。如何应对不利的海冰环境进而保证人们活动的安全性与经济性，将是拓展寒区开发空间需要面对的新挑战。本文以海冰物理力学性质试验与不同尺度上海冰要素(厚度、密集度与速度)的立体监测为基础，分析工程海冰的力学性质，研究海冰要素的动力特性。利用符合蓄能方式的海冰热力学数值方法与反映海冰非连续分布特性的离散单元方法，‘建立了海冰数值预测的高精度数值模型。在以上研究的基础上，本文进一步研发了用于油气作业区海冰管理的工程海冰数值模拟和预报系统。本文工作主要包括以下研究内容：首先，通过环渤海沿岸海冰的物理力学性质试验分析了海冰弯曲强度、单轴压缩强度与侧限压缩强度的影响因素

5、，并重点确立了海冰强度在多因素影响下的基本特性；在此基础上，给出了海冰强度在应力速率与卤水体积(为冰温和盐度的函数)影响下的分布规律。此外，利用外包络线方法给出了极限条件下压缩强度的分布函数，并分析了侧限应力对海冰压缩强度的影响；最后分析了海冰单轴压缩、弯曲和剪切强度在卤水体积和应力速率影响下的统一表征形式。其次，针对渤海海冰的动力学特性，以海洋油气平台为依托建立了海冰现场监测和雷达图像采集分析系统，并与卫星遥感图像相结合实现了对海冰动力要素的立体监测。以此为基础，分析了局地海冰密集度、浮冰面积、海冰流速和海冰断裂等海冰要素及其动力学行为的演化规律，增强了对海冰动力学

6、行为的深入理解。通过对辽东湾JZ20．2海域的冰速统计分析，发现该海域的冰速概率密度符合瑞利分布，而海冰漂移方向则符合双峰正态概率密度分布，且海冰速大小与方向相关性较小。利用局地海域平均速度的概念，给出了在潮流、风等外力作用下海冰漂移轨迹的变化规律，为合理地利用监测数据短期预测海冰漂移行为提供了依据。通过对海冰卫星图像的数字化分析，提取了离散分布冰块的尺寸参数，统计发现冰块的有效直径符合Gamma分布。然后，在对渤海海冰热力学与动力学方程参数化的基础上，利用符合蓄能方式的热力学数值方法对底面与表层的海冰生消过程进行计算，并建立了考虑海冰辐散与积聚过万方数据基于强度试验

7、和立体监测的海冰离散元模型及工程应用程的海冰离散单元动力学模型。在对海冰热传导方程进行数值离散时，利用能量原理来换算因海冰的生消变化而引起的网格变动，进一步讨论了海冰热力与动力要素耦合作用过程中的动态网格。利用经典的旋风场数值试验、规则边界条件下海冰运动行为和海冰稳定状态下的厚度解析解，论证了离散单元方法在海冰动力学模拟中的适用性与数值精度。在采用FVCOM模型计算得到渤海水动力要素的基础上，对渤海海冰动力过程进行了离散单元方法的数值模拟，并通过辽东湾JZ20．2海域实测海冰数据验证了离散元模型的可靠性。在辽东湾JZ20—2海域海冰现场监测的基础上，