渤海海冰動力過程的改進離散單元方法.pdf

1、近年來，隨著對海洋資源來發(fā)利用的逐步深入，以及全球變暖趨勢的逐步明顯，海冰作為一種常見的自然現(xiàn)象被廣泛關注。存在海冰的極區(qū)、副極區(qū)和高緯度寒區(qū)海域人民的生命以及財產(chǎn)安全每年都會受到海冰災害的威脅，海洋工程設備被摧毀、航道堵塞、船只停運、海域污染以及漁區(qū)休漁等都是海冰災害的主要表現(xiàn)。為了保證海洋作業(yè)的安全進行，從20世紀50年代開始研究人員便應用海冰監(jiān)測、數(shù)值模擬、海冰試驗等手段對海冰的物理力學性質(zhì)、海冰與結構物的相互作用、海冰生消以及海

2、冰的熱力動力過程等方面進行了一系列的研究工作。
　　海冰監(jiān)測的方式組要有海岸站臺監(jiān)測、飛機航測、破冰船走航監(jiān)測、雷達監(jiān)測、平臺圖像監(jiān)測以及衛(wèi)星遙感監(jiān)測等。衛(wèi)星遙感監(jiān)測以其監(jiān)測范圍廣、時效性好等特點而成為監(jiān)測全場海冰的有效途徑。在海冰動力學數(shù)值模擬方面，人們分別在不同尺度下建立了有限差分、質(zhì)點網(wǎng)格、光滑質(zhì)點流體動力學以及分布質(zhì)量離散塊體模型等基于連續(xù)介質(zhì)力學思想的方法，以上方法一般采用粘性、黏塑性以及彈塑性本構模型。將海冰視為離散單

3、元，人們在上個世紀80年代發(fā)展了海冰動力學離散單元方法與黏彈-塑性本構模型，該方法依據(jù)海冰的分布狀態(tài)將其離散成多個具有厚度、尺寸和速度的計算單元。當考慮冰塊凍結時，該方法還能夠合理地模擬海冰動力學過程中的斷裂、重疊和堆積現(xiàn)象，具有物理意義明確、計算精度高的優(yōu)點。但是由于離散單元模型在計算上采用顯式計算，并且單元數(shù)量龐大，其計算效率明顯低于其他計算模型。
　　為了更好的改進和完善海冰動力學離散單元模型，本文針對海冰生消運移過程中的非

4、連續(xù)分布和形變特性，建立了適用于海冰動力過程的改進離散單元模型(MDEM)。不同于傳統(tǒng)離散單元方法，該模型將海冰離散為具有一定厚度、尺寸、密集度的圓盤單元。每個海冰單元設為諸多浮冰塊的集合體，其在運移和相互接觸碰撞過程中在質(zhì)量守恒的條件下會發(fā)生單元尺寸、密集度和厚度的相應變化?；诤１x散性和流變性的特點，該模型采用粘彈性接觸模型計算單元間的作用力，并依據(jù)Mohr-Coulomb準則建立海冰法向作用下的塑性變形及切向摩擦力。在搜索方式上

5、使用格柵搜索法，并在此基礎上引用快速排序思想，節(jié)省了計算內(nèi)存，提高了計算效率。
　　準確的海冰初始場是海冰動力學計算結果有效性的前提，本文以精準提取海冰初始場為目的，研究并開發(fā)了海冰衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過投票算法、去噪算法、圖像二值化算法等數(shù)字圖像處理技術及海岸線嵌入及像素點顏色替換等處理方法，可以對絕大多數(shù)的海冰衛(wèi)星圖片進行處理并對海冰的位置、密集度、尺寸信息進行高精度提取，并為海冰動力學計算提供可靠的初始場。

6、r>　　為驗證以上方法和系統(tǒng)的實用性與準確性，本文對海冰在規(guī)則水域內(nèi)的運移、堆積和輻散過程進行了離散元分析，計算結果與解析解具有較高一致性;此外，對旋轉(zhuǎn)風場下的海冰漂移規(guī)律的模擬也具有良好的精確性和計算效率;應用衛(wèi)星圖像處理系統(tǒng)對2001年1月15日、2010年1月22日、2013年2月15這三天渤海海冰初始場信息進行了提取，并應用改進離散單元方法對2010年1月22日的海冰進行了48小時的數(shù)值模擬，計算結果與衛(wèi)星遙感資料和油氣作業(yè)區(qū)的