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。     

渤海海冰侧限压缩强度的影响因素分析

为研究海冰在侧向作用下的压缩强度,针对A型侧限加载方式,对不同温度、盐度和加载速率下的海冰压缩强度进行了试验研究。利用统计方法分析了试验结果,表明侧限压缩强度与卤水体积的平方根存在负幂函数关系,与侧限应力呈线性关系,而受加载速率的影响并不明显。海冰侧限压缩强度与各影响因素(海冰温度、盐度、侧向力)间的函数关系可为冰荷载的确定提供参考。     

渤海莱州湾和黄河口附近海冰剪切强度的试验研究

剪切强度是海冰的基本力学性质,直接影响到冰区结构物冰荷载的确定以及海冰在动力演变过程中的破坏行为。采用侧限单面剪切试验对渤海莱州湾和黄河口的海冰进行了剪切强度测试,分析了温度、卤水体积、剪切应力率的影响。结果表明,海冰剪切强度随冰温的降低和剪切应力率的增大而呈线性增长,而与卤水体积的平方根呈幂函数降低。在此基础上,综合考虑卤水体积和剪切应力率的影响,对海冰剪切强度进行了双参数拟合,为研究海冰剪切破坏机理提供了参考依据。     

卤水体积和应变率影响下的渤海海冰单轴压缩强度分布

2018—2021年3个冬季期间在渤海辽东湾鲅鱼圈海域沿岸进行海冰单轴压缩试验。采用典型的柱状结构海冰作为试验对象,试验中加载方向垂直于柱状结构冰晶的轴向,应变率选取区间为4.5×10-5～7.5×10-3/s,海冰试样的温度在-3～-33℃之间。每组试验完成后对温度、盐度和密度进行了测量,用于计算每个试验试样的卤水体积。试验结果表明:海冰试样的应变-应力曲线表现出3种典型形式:韧性破坏、单峰值脆性破坏和多峰值脆性破坏。海冰名义压缩强度和卤水体积呈指数关系,应变率影响下的海冰单轴名义压缩强度出现韧性区-过渡区-脆性区的转化过程,在韧性区和脆性区阶段海冰的单轴名义压缩强度和应变率均呈幂函数关系。此外,综合卤水体积和应变率的影响,确定了海冰名义单轴压缩强度在两者共同影响下的变化规律。     

黄海北部庄河附近海域海冰物理力学特性

研究了黄海北部海冰物理力学性质，试验内容有海冰的晶体结构，单轴压缩强度和弯曲强度，分析了海冰的压缩强度和弯曲强度与冰温，应力率和加载方向的关系。     

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.     

辽河口海冰压缩强度基本特性分析

海冰的压缩强度是海冰最主要的力学特性.针对辽河口附近海域海冰的压缩强度指标,2014~2015年冬季于辽河口附近采样并进行室内测试.内容包括单轴压缩强度实验、侧限压缩强度实验、变尺寸压缩强度测试.实验表明辽河口海冰压缩强度受应变速率、卤水体积影响显著.侧限压缩实验要比单轴压缩实验所得结果略大.不同高宽比的试样在相同应变速率的前提下压缩强度变化不明显,尺寸影响不显著.     

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。     

辽东湾粒状海冰弯曲力学行为试验研究

弯曲破坏是冰与船舶和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°C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?1,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。     

海冰温度对单轴压缩强度影响的试验研究

应变速率与单轴压缩强度极值的关系在抗冰结构设计与优化中占有重要地位。基于2009年冬季普兰店海域海冰在不同海冰温度(-5°C、-10°C、-15°C)下的压缩强度试验数据,给出各自应变速率—压缩强度散点图。结果表明,海冰在不同加载速率下表现为三种破坏模式,即韧性区、过渡区与脆性区;海冰温度对过渡区对应应变速率范围影响较小,均在6.3×10~(-4)~2×10~(-3)区域附近。结合三段式函数形式,给出不同温度下应变速率—压缩强度极值的曲线拟合结果。依据上述结论,在庄河海域选择应变速率10~(-2)、10~(-3)与10~(-4)进行不同海冰温度(-16°C~-4°C)下单轴压缩强度试验。结果显示:在韧性区,海冰温度与压缩强度极值呈弱负相关;在过渡区,海冰温度与压缩强度极值呈明显线性减小;在脆性区,强度极值相对海冰温度敏感度较低。基于此,在应变速率—压缩强度曲线中提出温度影响系数,这一试验分析方法可推广至其它海域。     

海冰弯曲强度的研究

简要介绍了国内外海冰弯曲强度研究概况;给出了1990年冬作者在辽东湾西部的实验结果;并且讨论了海冰弯曲强度与应力率的关系。     

海冰与不锈钢材料冻黏特性的实验研究

利用自行设计制作的实验夹具, 在拉伸试验机上进行试验, 着重研究了温度及材料结构形态对海冰与不锈钢材料之间冻黏强度的影响规律。结果为: 由于表面卤水的存在, 海冰冻黏强度低于淡水冰冻黏强度, 海冰与不锈钢材料的冻黏强度随冻黏温度降低而增大; 且材料的结构形态对冻黏强度有着显著影响, 柔性介质可有效防止冻黏。研究结果为海冰离心分离设备的工业化设计及工艺操作条件的优化提供了可靠依据。     

南极威德尔海春季海冰物理结构对叶绿素上限含量的影响

2006年冬末春初,在德国POLARSTERN科学考察船执行南极威德尔海西北海域考察期间,调查了考察区海冰物理和海洋生物。本文观测了航线上钻取的27支海冰冰芯的组构和71个冰晶体薄片;分析得到393组冰温数据;348组盐度、密度数据和311组叶绿素a和脱镁叶绿素含量数据;通过302组冰内相同深度孔隙率和叶绿素a含量数据分析,发现海冰物理参数影响冰内叶绿素a含量的新证据;利用收集的雪、冰厚度数据以及环境容量制约生态平衡的规律,建立了雪、冰厚度对冰底叶绿素繁荣的影响以及;确立了南极粒状冰和柱状冰内叶绿素a上限含量同卤水体积的关系。从而表达了冰晶体对卤水排泄的效应和冰物理性质对南极春季冰底和冰-水界面叶绿素a增长的贡献。此外,还得出海冰物理性质影响冰藻,并且是南极冰区水体浮游植物繁荣的关键控制因素。     

北极夏季海冰单轴抗压强度研究

The results on the uniaxial compressive strength of Arctic summer sea ice are presented based on the samples collected during the fifth Chinese National Arctic Research Expedition in 2012(CHINARE-2012). Experimental studies were carried out at different testing temperatures(-3,-6 and-9°C), and vertical samples were loaded at stress rates ranging from 0.001 to 1 MPa/s. The temperature, density, and salinity of the ice were measured to calculate the total porosity of the ice. In order to study the effects of the total porosity and the density on the uniaxial compressive strength, the measured strengths for a narrow range of stress rates from 0.01 to 0.03 MPa/s were analyzed. The results show that the uniaxial compressive strength decreases linearly with increasing total porosity, and when the density was lower than 0.86 g/cm3, the uniaxial compressive strength increases in a power-law manner with density. The uniaxial compressive behavior of the Arctic summer sea ice is sensitive to the loading rate, and the peak uniaxial compressive strength is reached in the brittle-ductile transition range. The dependence of the strength on the temperature shows that the calculated average strength in the brittle-ductile transition range, which was considered as the peak uniaxial compressive strength, increases steadily in the temperature range from-3 to-9°C.     

海冰动力学过程的数值模拟

讨论了海冰动力学性质并阐述决定海冰漂移的动量平衡,冰脊和水道形成及确定冰应力与形变、强度之间关系的海冰流变学.提出了模拟海冰动力学过程的数值模式,模式中冰厚分布由开阔水、平整冰和堆积冰3种要素表示.在这3要素的预报方程中引入形变函数,采用一种参数化方法模拟冰脊和水道.为了表示冰内相互作用,将海冰作为一种非线性粘性可压缩物质,采用粘-塑性本构关系.本文还概述和讨论了模式中所采用的数值方法,应用此模式模拟了渤海、波罗的海的波的尼亚湾和拉布拉多海的冰漂移.渤海冰漂移模拟结果明显地显示出潮周期变化,还模拟了渤海的冰脊和水道,进行了海冰流变学参数的敏感性试验.并将此冰模式与大气模式和边界层模式联接,给出渤海海冰预报结果.     

Numerical simulation for dynamical processes of sea ice

ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｄｙｎａｍｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｓｅａｉｃｅＷｕＨｕｉｄｉｎｇ，ＢａｉＳｈａｎ，ＺｈａｎｇＺｈａｎｈａｉａｎｄＬｉＧｕｏｑｉｎｇ（ＲｅｃｅｉｖｅｄＭａｙ１６，１９９６；ａｃｃｅｐｔｅｄＪａｎｕａｒｙ...     

渤海海冰对直桩柱的作用力

于1990年1月在锦州湾采样,主要测试了在不同的冰温和不同的应变速率下渤海海冰的挤压强度,并且研究了海冰挤压强度与冰温及应变速率的关系。对半径R=2,3,4,5cm圆柱压头的海冰挤压强度R_(CM)进行了试验,由此求得了海冰的局部挤压系数和接触系数。分析了冰块宽度B与桩柱宽度b之比与挤压系数的关系。在—10℃冰温下,对半圆形,压头端部尖角20等于180°,120°,90°,60°五种压头进行了试验,从而求得桩柱的形状系数,建立起大冰原对桩柱挤压作用的最大冰压力公式。     

Sea ice volume and age: Sensitivity to physical parameterizations and thickness resolution in the CICE sea ice model

New dynamics parameterizations in Version 5 of the Los Alamos Sea Ice Model, CICE, feature an anisotropic rheology and variable drag coefficients. This study investigates their effect on Arctic sea ice volume and age simulations, along with the effects of several pre-existing model options: a parameter that represents the mean cumulative area of ice participating in ridging, the resolution of the ice thickness distribution, and the resolution of the vertical temperature and salinity profiles.By increasing shear stress between floes, the anisotropic rheology slows the ice motion, producing a thicker, older ice pack. The inclusion of variable drag coefficients, which depend on modeled roughness elements such as deformed ice and melt pond edges, leads to thinner ice and a more realistic simulation of sea ice age. Several feedback processes act to enhance differences among the runs. Notably, if less open water is produced mechanically through ice deformational processes, the simulated ice thins relative to runs with more mechanically produced open water. Thermodynamic processes can have opposing effects on ice age and volume; for instance, growth of new ice increases the volume while decreasing the age of the pack. Therefore, age data provides additional information useful for differentiating among process parameterization effects and sensitivities to other model parameters.Resolution of thicker ice types is crucial for proper modeling of sea ice volume, because the volume of ice in the thicker ice categories determines the total ice volume. Model thickness categories tend to focus resolution for thinner ice; this paper demonstrates that 5 ice thickness categories are not enough to accurately resolve the ice thickness distribution for simulations of ice volume.     

Thickness sensitivities in the CICE sea ice model

Passive microwave satellite observations of ice extent and concentration form the foundation of sea ice model evaluations, due to their wide spatial coverage and decades-long availability. Observations related to other model quantities are somewhat more limited but increasing as interest in high-latitude processes intensifies. Sea ice thickness, long judged a critical quantity in the physical system, is now being scrutinized more closely in sea ice model simulations as more expansive measurements become available. While albedo is often the first parameter chosen by modelers to adjust simulated ice thickness, this paper explores a set of less prominent parameters to which thickness is also quite sensitive. These include parameters associated with sea ice conductivity, mechanical redistribution, oceanic heat flux, and ice–ocean dynamic stress, in addition to shortwave radiation. Multiple combinations of parameter values can produce the same mean ice thickness using the Los Alamos Sea Ice Model, CICE. One of these “tuned” simulations is compared with a variety of observational data sets in both hemispheres. While deformed ice area compares well with the limited observations available for ridged ice, thickness measurements differ such that the model cannot agree with all of them simultaneously. Albedo and ice–ocean dynamic parameters that affect the turning of the ice relative to the ocean currents have the largest effect on ice thickness, of the parameters tested here. That is, sea ice thickness is highly sensitive to changes in external forcing by the atmosphere or ocean, and therefore serves as a sensitive diagnostic for high-latitude change.