美国Clarkson大学的冰研究

本文概述Ｃｌａｒｋｓｏｎ大学冰研究活动，阐述了河冰、海冰和冰力学最近研究的目的和结果。

基于Mohr-Coulomb准则的黏弹-塑性海冰动力学本构模型

针对中小尺度下海冰动力作用过程中的漂移、重叠和堆积特征,在连续介质力学基础上建立了一个黏弹塑性海冰动力学本构模型.该模型主要包括四部分,即海冰在屈服前的Kelvin Vogit黏弹模型、海冰塑性屈服的Mohr Coulomb准则、屈服后相关联的正交流动法则和影响海冰强度的静水压力.采用黏弹塑性本构模型对规则海域内的海冰堆积过程进行了数值试验,其结果与传统黏塑性模型、改进的黏塑性模型和经典冰坝理论的解析解相符,可合理地模拟海冰堆积的动力过程.为进一步检验该黏弹塑性本构模型的适用性,对渤海海冰的动力过程进行了48h的数值模拟,计算结果与海冰卫星遥感现场观测资料一致.通过与传统的黏塑性和改进的黏塑性模型结果的对比分析,进一步验证了黏弹塑性模型在中小尺度海冰动力学模拟中的可靠性.在以上海冰堆积的数值试验和渤海海冰动力学模拟中均采用了光滑质点流体动力学(SPH)方法.

海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉数值方法

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72 h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。

基于颗粒组构特性的散体材料本构模型研究

通过散体介质材料单元颗粒排列组构表达的细观结构力学关系,建立了用颗粒密集度、颗粒排列组构关系和颗粒间摩擦特性等非连续介质材料特性参数描述的散体介质材料本构模型,从而实现散体介质材料宏观连续介质描述的等效应力表达。通过该模型可采用数值方法进行散体介质材料准静态情况下的力学特性分析。文中最后基于有限元软件ABAQUS,进行了该本构模型的二次开发。数值算例结果验证了所建立散体介质材料本构模型的适用性。

基于离散元方法与水动力学耦合的河冰动力学模型

流凌和冰坝是我国北方冬季比较常见的河冰现象,尤其冰坝,可导致严重的凌洪灾害,是河冰研究中的重要部分。本文将离散单元方法与二维水动力学相耦合,建立河冰的动力学数值模型,以模拟河冰输移、聚集、堆积,以及冰坝形成的动力过程。针对河道中大量密集且几何形状随机的流冰现象,采用扩展多面体单元对冰块进行构造,并通过离散元接触模型表征河冰输移和冰坝形成过程中冰块间的相互作用。河流水动力部分则采用考虑河冰影响的二维非定常浅水方程进行描述,并采用有限元方法进行数值计算。冰水耦合中的计算参数由河冰离散单元与其所在水动力学有限元网格节点的位置插值计算得到。通过对冰盖封河造成水位抬高过程的数值模拟,并将计算结果与理论分析结果以及DynaRICE河冰模型的模拟结果进行对比,以验证模型的有效性。在此基础上,对规则河道中河冰输移、堆积和形成冰坝的过程进行数值模拟和结果分析。通过以上河冰离散元与水动力学的耦合方法及其对河冰动力过程的数值模拟,对河冰动力过程从细观角度进行新的认识并为河冰动力过程研究提供一种有效的数值方法。

黄河河曲段输冰水力学机理分析

长期以来,人们一直用临界流速或临界佛汝德数的准则来确定冰塞的演变。然而原型观测发现,在不同的河段,临界流速的值不同,而且即使在同一河段的不同时间临界流速的值也不尽相同。这清楚地表明,临界流速的概念有其不足之处,本文认为冰屑粒在冰盖下的运动与推移质泥沙在冲积河流中的运动是相似的,其区别仅在于冰所受的浮力大于重力,而泥沙所受的浮力小于重力,冰粒常常是在冰盖下以盖移质的形式运动。本文以黄河河曲段的资料印证了这一概念,并在对实测资料分析后发现,可以用现有的轻质推移质输沙公式来描述输冰能力。

黄河下游冬季河床冲淤过程的模拟

本文建立了模拟黄河下游冬季输沙及河床变化的数学模型。根据实测资料对明流(不结冰)情况下的经验输沙公式进行了修正以用于冰盖水流的情况。在本模型中计算了模拟河段内各个断面在每个时段的水流条件、输沙率及河床的断面形态。在河床演变过程中根据河流最小能耗原理对河宽的变化进行了调整。冲淤沿断面的横向分布是根据有效拖曳力的原则分配的。模拟结果与实测资料相当吻合。

冰塞渗流阻力特性的实验研究

冰塞引起的上下游水位变化与内部水流阻力有关,其堆积演变形成的固液多孔介质中存在渗流问题,且渗流阻力对上下游水头压力具有一定影响。本研究基于实验室冰水力学模型实验,通过设定不同的水力条件,获取不同冰塞剖面形状及沿冰塞剖面累积方向冰盖下流速分布,采用非达西渗流理论对冰塞内渗流阻力进行率定,获得了渗流阻力能量损失的变化特征。结果表明,渗流阻力能量损失占总能量损失的比例为11%~21%,冰厚较大位置可达到42%,沿冰塞累积方向,渗流能量损失占比与冰厚和水深之比呈典型的正相关。渗流流量为河道内重要的槽蓄水量,孔隙率在0.39~0.51之间,冰厚与水深之比在0.6~1.4之间时,渗流流量占总流量的9%~26%。渗流流量的变化受孔隙率、冰塞结构及水力特征等共同影响,冰颗粒均匀且随机堆积情况下,冰塞厚度越厚,冰体排列越紧密,孔隙率和渗流系数越小,流体通过多孔介质的比表面积越大,渗流能量损失也越多。本研究进一步明晰了冰塞阻力机理及渗流阻力在冰塞中的重要性,为受凌汛灾害困扰流域解决实际问题提供理论科学依据。