基于哨兵1号影像浮冰形状特征的北极内尔斯海峡海冰运动信息提取方法

内尔斯海峡是北极海冰输出的重要通道之一,从海峡流出的海冰对巴芬湾、拉布拉多海深层水的形成以及北极海冰物质平衡具有重要影响。由于海峡入口狭窄和海冰密集度较低,现有海冰运动反演算法较难从卫星影像上获取有效的海冰运动信息,从而限制了该区域海冰运动信息的提取。本研究提出了一种基于浮冰形状特征的海冰运动提取算法,该算法主要包括影像分割、浮冰提取和浮冰匹配3个步骤。使用该算法从2019年2月20-27日逐日哨兵1号影像中提取了内尔斯海峡的海冰运动信息,并结合人工制作的验证数据评估了该算法在浮冰提取和匹配过程的精度。结果显示该算法提取的浮冰形状参数平均误差为4.3%~8.48%、浮冰运动矢量的总体正确率为84%、浮冰质心与运动速度的均方根误差分别为0.171km和6.313cm·s^(–1)。对比SIFT,ORB和AKAZE三种基于特征追踪的海冰运动反演算法,该算法结果中海冰运动覆盖面积增加了27.7%,精度提高约39%。该算法不仅有效地提取了内尔斯海峡海冰运动信息,而且可为其他区域(如海冰边缘区)的海冰运动信息提取提供参考。

浮冰在规则波和双色波下的运动特性研究

为研究浮冰在波浪下的运动特性,以单个聚氯乙烯(PVC)塑料圆板模拟浮冰,进行了一系列波浪试验研究。在规则波试验基础上,同时研究了双色波条件下的浮冰运动特性。结果显示:规则波条件下浮冰运动幅频响应算子首先随无量纲波长的增大而增大,当无量纲波长大于4.0后,运动幅频响应算子随无量纲波长的变化不明显,且趋于一定值;在双色波条件下,对应频率组成成分的浮冰运动幅频响应算子与规则波条件下随波长的变化规律一致。根据部分规则波试验结果提出预测浮冰慢漂速度的经验公式,并用已有的试验和余下的规则波与双色波试验结果进行验证。结果表明,经验公式对规则波和双色波条件下的浮冰慢漂速度的误差在20%以内,预测结果吻合较好。

波浪冲洗对多浮冰耦合运动影响特性研究

冰缘区是开阔水域与海冰的交界区域,波浪与海冰的相互作用是决定该区域形态结构的主要因素。本文基于计算流体力学技术,采用速度入口造波方式建立二维数值波浪水池,利用动网格技术模拟多浮冰的耦合运动,在典型入射波参数范围内,研究了波浪中浮冰的垂荡和纵摇响应。同时,重点探究了波浪冲洗冰体表面现象,及其对浮冰耦合运动的影响,对比分析了有/无波浪冲洗冰体表面时的浮冰运动响应。数值结果表明:低密集度浮冰更容易产生波浪冲洗现象,且波浪冲洗对浮冰运动具有较明显的抑制作用。

波浪场中浮冰摇荡运动特性

针对冰缘区波浪与海冰相互作用问题,本文在波高一定的情况下,模拟了浮冰在一系列不同波长的规则波中垂荡和纵摇运动。通过关注的波浪冲洗冰体表面现象,其中浮冰运动受到波浪冲洗的干扰不可忽略,对比分析了浮冰在有/无波浪冲洗下的运动响应。利用计算流体力学方法建立三维数值波浪水池,通过有限体积法离散求解流体控制方程,采用VOF法捕捉自由液面,通过重叠网格技术实现浮体运动,同时通过计算流体作用于浮体的合力与合力矩,求解浮冰运动控制方程更新浮冰运动。计算结果表明:当波长较小时,波浪冲洗冰现象较明显,其对浮冰运动的抑制作用也较强。本文的数值模型对北极工程开发提供了一定的参考价值。

单块浮冰在风浪流作用下的运动响应数值模拟

随着全球气候变暖,冰缘区的浮冰数量逐渐增加,会对极地区域运行和作业的海洋结构物形成潜在威胁。为了更好地研究和预报冰缘区中的浮冰在环境载荷作用下的响应特性,该文对风浪流环境下的单块浮冰运动响应进行了数值模拟,分别研究了风拖曳工况、流拖曳工况、风浪联合作用以及波流联合作用等不同情况下的浮冰运动响应特性。在风或流的拖曳作用下,浮冰的漂移可分为初始加速和稳定漂移两个阶段,其中初始加速阶段浮冰的迎流侧出现明显的低压区,浮冰垂荡运动与纵摇运动存在相互耦合的特性。对于风或流与波浪联合作用的情况,该文采用了一种叠加波浪引起的漂移速率与拖曳引起的漂移速率的线性方法,估算了浮冰在联合作用环境下的漂移速率,此线性估算方法在风速小于7 m/s的情况下或流速低于0.08 m/s的情况下总体吻合较好。此外,该文还分析了风、流与波浪联合作用环境下浮冰纵荡、纵摇与垂荡三自由度的运动特性,并通过浮冰的漂移速率估算了波浪与浮冰的遭遇周期,其结果在风速与流速较低的情况下与数值模拟得到的浮冰各自由度运动周期结果吻合较好。

船舶浮冰区回转运动一体化数值分析

针对极地船舶浮冰区纯自航回转性能,以体积力代替螺旋桨,考虑船体、浮冰、流体、螺旋桨和舵等因素,采用计算流体力学(CFD)和离散元方法(DEM)进行浮冰区极地船冰载荷和回转运动性能求解,开展无冰水域、不同密集度浮冰水域的双桨双舵极地船的回转运动数值模拟,分析极地船冰载荷和运动特性。极地船在55%密集度浮冰区的回转直径约为无冰水域的1.60倍,在75%密集度浮冰区的回转直径约为无冰水域的1.88倍。极地船与浮冰碰撞是随机的,船体在回转过程中所承受的载荷及运动特性具有随机性。

浮冰群在波浪作用下纵向运动规律的试验研究

采用石蜡非冻结模型冰,通过试验模拟真实冰况中浮冰尺寸分布,对浮冰群在不同波长规则波中的运动响应进行了测量,总结了其纵向及垂荡运动响应规律,并与孤立浮冰在波浪中的运动响应规律进行了对比.结果显示:浮冰群在波浪中的纵向运动表现出短波区间内不规则运动与长波区间内规则运动两种运动状态;不同尺寸浮冰的纵向运动响应参数未发现有规律性差异;浮冰群的纵向漂移平均速度随波长的增加先快速增长后逐渐减少并趋向于零;浮冰群的纵荡响应速度及位移幅值在短波区间振荡剧烈无法测量,在长波区间随波长的增加快速增大且位移幅值很快超过波高后缓慢减少,但持续大于波高;浮冰群的纵荡响应周期随波长的增加先略大于波浪周期后与波浪的周期近似重叠.