Mechanical and numerical models for sea ice dynamics on small-meso scale

On small-meso scale, the sea ice dynamic characteristics are quite different from that on large scale. To model the sea ice dynamics on small-meso scale, a new elastic-viscous-plastic （EVP） constitutive model and a hybrid Lagrangian- Eulerian （HLE） numerical method are developed based on continuum theory. While a modified discrete element model （DEM） is introduced to model the ice cover at discrete state. With the EVP constitutive model, the numerical simulation for ice ridging in an idealized rectangular basin is carried out and the results are comparable with the analytical solution of jam theory. Adopting the HLE numerical model, the sea ice dynamic process is simulated in a vortex wind field. The furthering application of DEM is discussed in details for modeling the discrete distribution of sea ice. With this study, the mechanical and numerical models for sea ice dynamics can be improved with high precision and computational efficiency.     

海冰弯曲强度及其破坏过程的试验研究

为确定海冰温度、卤水体积等因素对海冰弯曲强度的影响,本文对辽东湾东岸海域的平整冰进行了现场取样,并在试验机压头加载速率为0.1 mm/s的情况下进行了三点弯曲试验.试验结果表明,海冰试样在-35～-5 ℃温度范围内呈现出三种不同的破坏模式,主要表现为海冰弯曲断裂时裂纹形状的差异.当温度在-15～-10℃之间时,海冰试样多表现为断裂面粗糙的韧性破坏模式,部分试样在主裂纹扩展过程中伴随有次生裂纹的衍生;当温度低于-15℃时,海冰试样多表现为脆性破坏,具有一条由下至上的完整光滑断裂面;而二次破坏的温度与脆性破坏、韧性破坏的温度均有交叉,分布于-20～-5 ℃之间,试验结果呈现上部粗糙下部光滑的断裂面.对海冰的应力分析表明,不同破坏模式下的弯曲强度值呈阶梯分布,海冰发生脆性破坏时的弯曲强度要高于其他两种破坏模式,发生韧性破坏时的弯曲强度最小.在不同断裂模式下,海冰的弯曲应力达到最大值后的下降趋势有明显差异,韧性断裂时弯曲应力下降缓慢,脆性破坏时则突然下降为0,而二次破坏应力突然下降后仍以较小的值缓慢下降至接近于0.最后,本文还讨论了海冰弯曲强度与卤水体积的对应关系,结果与其他相关文献具有很好的一致性.以上研究有助于更好地理解海冰的力学性质,为极地船舶与海洋工程结构抗冰设计提供参考依据.     

渤海海冰现场监测的数字图像技术及其应用

在渤海冰区油气开发中,海冰给平台结构、油气运输和施工作业带来很大影响。油气作业区海冰参数精确、连续、实时的现场监测对分析油气开发的可靠性、检验海冰数值模式、校正海冰卫星遥感数据具有重要意义。针对渤海油气作业区的海冰运动和分布特性,通过数字图像技术对海冰的厚度、运动速度和密集度三个参数的提取进行了算法开发和软件研制。在2009-2010年采用该海冰数字图像监测软件对渤海辽东湾JZ20-2油气作业区的海冰参数进行了全冰期的连续监测,获得了翔实可靠的海冰厚度、密集度和冰速等海冰监测资料。现场监测应用表明,该海冰数字图像监测软件具有操作性强、精确度高、可靠性好的优点。该监测技术进一步完善后可广泛应用于渤海油气作业区的海冰现场监测,成为海冰业务化现场监测的重要组成部分。     

渤海海冰断裂韧度试验

海冰的断裂韧度是近海结构冰荷载分析的重要参数,也是影响海冰断裂、重叠和堆积等动力行为的主要力学特性。2011—2012年冬季现场采集了渤海莱州湾的海冰试样,在室内低温环境下通过三点弯曲试验测得了不同温度、盐度和加载速率下的海冰断裂韧度K_IC。结果表明,卤水体积(温度和盐度)和加载速率对K_IC的影响比较显著。随温度和加载速率的降低,K_IC值均会增大,且与卤水体积的平方根呈负指数关系。为极限破坏状态下海冰的断裂过程和冰荷载分析的参数选用提供了依据。     

渤海沿岸海冰单轴压缩强度的基本特性分析

海冰单轴压缩强度是寒区海洋工程中的一个重要设计参数,也是影响海冰动力学行为的主要因素。在2008-2012年间的三个冬季,对渤海沿岸的海冰单轴压缩强度进行了现场与室内试验,由此分析了其在温度、卤水体积和应力率下的基本特征。测试结果表明,海冰单轴压缩强度与其温度呈幂函数关系,与卤水体积平方根呈指数关系,与应力率呈线性关系。此外还分别在不同温度与卤水体积下确定了海冰单轴压缩强度上包络限的变化规律。最后,综合考虑卤水体积和应力率的影响,对海冰单轴压缩强度分布特征进行了分析。以上研究有助于揭示渤海海冰基本力学性质,为冰区结构设计和海冰动力学分析提供参考依据。     

渤海海冰动力学中的粘弹塑性本构模型

在粘塑性海冰本构模型的基础上,将Kelvin-Voigt粘弹性本构理论引入到海冰动力学中,进而建立了粘弹塑性海冰本构模型.该模型可较好地反映渤海海冰在小应变和小应变率条件下的粘弹性力学行为,同时还考虑了大应变率下的海冰粘塑性力学行为.对渤海辽东湾海冰进行了48h数值模拟.结果表明:粘弹塑性海冰本构方程较Hibler的粘塑性本构模型可更好地处理渤海的冰间相互作用,提高海冰数值模拟的计算精度.     

局地海冰数值预测的冰激结构响应计算

在渤海海冰数值预测的基础上，通过渤海海冰的热力—动力模型，对油气作业区的冰厚、冰速、冰温等海冰参数进行短期数值预测，并以此对海冰的盐度、卤水体积、弯曲强度等海冰物理力学参数进行推算，进而对冰激平台结构响应进行计算分析。以辽东湾JZ20-2油气田的MUQ平台为例，对1999／2000年冬季的冰激结构振动响应进行了预测，其结果与实测情况较为吻合。     

辽东湾JZ20—2海域海冰参数的概率分布

基于辽东湾JZ2 0 2海域 1996 2 0 0 0年 4个冬季的海冰定点观测资料和海冰数值模拟结果 ,对该海域的平整冰厚、冰速、冰向和压缩强度等海冰参数进行了概率分析 ,确定了各自的分布参数 ,并对冰速和冰向进行了联合概率分析。结果表明 :冰厚和冰速分别服从对数正态分布和瑞利分布 ,海冰压缩强度服从正态分布。计算结果可用于JZ2 0 2海域海洋结构可靠性设计和疲劳累积损伤分析的海冰参数 ,也可作为其邻近海域的参考资料     

基于海洋油气平台上雷达连续监测的海冰漂移特性分析

辽东湾每年冬季都会冻结大量海冰,并对海上油气平台和船舶运输带来很大的安全影响。为此,对油气作业海域海冰进行精确、连续的现场监测是非常必要,也有助于揭示海冰的漂移特性。采用辽东湾JZ20-2油气海洋平台上的航海雷达监测系统对该海域的海冰漂移特性进行了全冰期的连续监测,并通过海冰雷达监测的数字图像处理系统对海冰的漂移速度和流向进行分析,获得了该海域全冰期的海冰漂移数据。在此基础上确定了该海域冰速符合瑞利分布、冰向符合双峰高斯分布,以及两者的联合概率分布特性。以上研究为分析辽东湾油气作业区海冰的漂移特性提供了可靠的现场监测资料。     

Mechanical and numerical models for sea ice dynamics on small-meso scale

On small-meso scale,the sea ice dynamic characteristics are quite different from that on large scale.To model the sea ice dynamics on small-meso scale,a new elastic-viscous-plastic(EVP) constitutive model and a hybrid Lagrangian-Eulerian (HLE) numerical method are developed based on continuum theory.While a modified discrete element model(DEM) is introduced to model the ice cover at discrete state.With the EVP constitutive model,the numerical simulation for ice ridging in an idealized rectangular basin is carried out and the results are comparable with the analytical solution of jam theory.Adopting the HLE numerical model,the sea ice dynamic process is simulated in a vortex wind field.The furthering application of DEM is discussed in details for modeling the discrete distribution of sea ice.With this study ,the mechanical and numerical models for sea ice dynamics can be improved with high precision and computational efficiency.