天然冰侧向融化速率的实验室试验研究

为了连续观测天然冰侧向融化的物理过程,利用冬季现场采集的天然冰样,在低温实验室内模拟了无辐射、静水的纯热力学试验条件,开展了不同尺寸、不同水温条件下的天然冰样融化试验。根据试验结果,分析了冰样侧向边界形状变化的过程和影响侧向融化速率的因素。结果表明,融化过程中冰样局部内凹,冰厚变薄,且越靠近底层侧向融化量越多。冰厚和直径越大,融化速率越小,因为冰厚和直径的增大使得冰样需要吸收更多由水体传输的热量,导致水温下降从而减缓了冰的融化;冰密度越小,融化速率越大,原因是水体渗入冰内非封闭孔隙或卤水通道加快了冰的融化。对冰样侧向融解潜热通量与冰-水侧向接触面积和孔隙率关系进行拟合,曲面体现出冰样与水的侧向接触面积越小、孔隙率越大时融化速率越大的特点。冰样形状特征的改变也会使其对热力作用的响应发生变化,四种不同冰样形状的融化试验结果显示,侧向融化速率从大到小依次为直角三角形、圆形、梯形和方形。

辽东湾粒状海冰弯曲力学行为试验研究

弯曲破坏是冰与船舶或锥形海洋结构物相互作用时经常发生的一种冰破坏模式。全球变暖延长了渤海海冰的冻结期,导致冰层中粒状冰的比例呈增加趋势。为了更好地理解渤海粒状海冰的弯曲力学行为,使用2010-2011年冬季在辽东湾收集的粒状海冰进行了实验室三点弯曲试验。在−5℃、−10℃和−15℃条件下,共测试了42个海冰试样,应变速率范围为1×10^(−6)~6×10^(−4)/s,加载方向垂直于原始冰面。在试验过程中,测量每个冰试样的盐度和密度以计算孔隙率。试验分别给出了弯曲强度和有效弹性模量关于孔隙率的参数化关系,归一化后,弯曲强度在整个应变速率范围内没有速率依赖性。相比之下,有效弹性模量随着应变速率的增大而增大。以孔隙率和应变速率为因子,建立了冰试样有效弹性模量的参数化方程。

淡水侧向冰水界面融化现场测试和能量平衡模型

在融冰期的淡水冰层上挖凿开敞水域,连续观测气温、水温、辐射和风速风向等,采用触点测量设备监测冰-水侧向界面的融化量,获得冰-水侧向界面融化速率。根据冰层内的热量平衡过程分析冰-水侧向界面的形状变化和影响融化速率的因素。侧向融化速率受水温影响明显,风速、气温和辐射对侧边界摩阻速度和显热潜热比例具有一定的影响。黄河开河期周边的河迹湖,冰-水侧向界面热通量远大于底部热通量,从而影响区域水环境。

CT扫描技术探测湖冰组构的初步研究

为了认识冰内气泡和未冻水的空间分布及形态特征,用Philips Brilliance 16 CT扫描实验机探测了乌梁素海2根冰样的内部组构,同时还实测了冰样密度和晶体结构。结果显示现场宏观判断含气泡多的冰样(W1)和含气泡少的冰样(W2)在冰密度和晶体结构基本无区别。但冰样W2各层的CT值稳定在-85^-65 HU之间,冰样W1各层的CT值在-150^-110 HU范围波动。对扫描截面影像像素体单元的CT值统计发现:(1)CT值能够体现冰样W1中冰内直径大于1 mm的气泡,探测到的CT值在-250^-150 HU之间;(2)对冰样W1冰内直径小于CT分辨率0.19 mm的气泡,在影像中不能直观发现,但其CT值在-150^-110 HU之间,可以理论计算气泡的体积比;(3)冰样W1存在少量未冻水位置的CT影像中更难发现,但扫描截面中出现局部CT值升高,也可以结合理论分析计算或利用更高分辨率的CT扫描设备解决。