渤海海冰演化的三维数值模型

基于非结构化网格、有限体积三维海洋模型FVCOM建立了海洋-海冰耦合的渤海海冰数值模拟系统.模型中考虑了海冰动力过程和海冰热力过程,讨论了适合渤海的冰厚度分类规则、临界冰厚、短波辐射在冰内的透射率以及冰的热传输系数的合理取值.利用美国国家环境预报中心(NCEP)一小时一次的再分析气象数据作为驱动对2003—2004年冬季渤海海冰过程进行了模拟.模拟的渤海温盐计算值与实测值吻合较好,模拟的渤海冰盖分布与同期卫星遥感结果接近,模拟的辽东湾初冰日、终冰日的海冰面积、海冰厚度及其最大值和最大值对应的时刻与实测值基本一致.模拟与实测结果对比表明,建立的三维海冰数值模型能比较合理地反映渤海动力过程、气象条件影响下的温盐场过程以及渤海海冰的生消演化过程,具有较高的计算精度和计算效率,适合用于渤海海冰中长期数值模拟.     

剪切变稀自由表面流动问题的不可压SPH模拟

为解决传统弱可压光滑粒子动力学(SPH)方法中,密度的微小变化能引起压力的非物理振荡,发展了一种新的不可压SPH方法,并将其推广到剪切变稀自由表面流动问题的数值模拟中。该方法采用压力Poisson方程求解流体压力,流体控制方程则通过分数步长法进行求解。首先,利用不可压SPH方法模拟了牛顿液滴在水平固壁上的铺展现象,并通过与文献结果的比较,验证了不可压SPH方法模拟自由表面流的有效性;随后,对牛顿液滴和剪切变稀液滴在倾斜固壁上的铺展现象进行了不可压SPH模拟,并讨论了两种液滴铺展现象的不同流动特征。数值结果表明,不可压SPH方法不仅能够有效克服弱可压SPH方法所产生的压力振荡问题,并且能够成功推广到剪切变稀自由表面流的数值模拟中。     

SPH原理、发展现状及热传导问题模型

对光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics,SPH）的基本技术原理及发展现状进行了综述,利用SPH方法对两个典型二维非线性动力学算例进行了数值模拟。同时,利用国外学者提出的方法初步探索了有关热传导问题的SPH模型。     

基于实测冰芯数据的南极海冰厚度的数值模拟

根据我国第22次南极科学考察现场观测数据以及现场采集的冰芯分析数据,考虑太阳辐射、云量等因素对南极海冰厚度变化的影响,利用最小二乘法辨识气温与冰表面温度之间的关系,并以辨识结果所得到的冰表面温度作为上边界条件,依据实测情况取结冰点-1．81℃作为下边界条件,对一维热传导方程采用Crank-Nicolson格式进行离散,对南极中山站内拉湾附近海域海冰厚度变化进行了数值模拟,并与现场观测的海冰厚度数据进行了对比。     

三维洪水流动的SPH数值模型

对光滑粒子动力学(SPH)方法进行了改进,提出了高精度的耦合动力学边界处理方法,保证粒子的无穿透条件,通过液面粒子的支持域求和准确施加自由液面条件,准确预测水流的翻卷、破碎效应。建立洪水流动的简化模型,分析防波堤对洪水的阻碍作用,准确预测洪水流动中各种三维特征。应用SPH模型对三维圆柱形水体坍塌过程进行模拟,结果表明,SPH数值模拟结果与实验结果吻合很好,从而验证了SPH模型模拟剧烈自由液面流动的有效性。     

超高速碰撞电磁效应数值模拟

采用理论分析和数值模拟结合的方法对超高速碰撞产生等离子体问题进行研究. 通过SPH方法,建立二维轴对称模型,针对不同碰撞速度进行数值模拟,对比不同时刻碎片云的形状以及膨胀速度,验证数值模拟的正确性;利用Thomas-Fermi模型,计算超高速碰撞过程中SPH粒子的温度,对于发生汽化的部分考虑其产生的等离子体参数;以统计物理学为基础,基于化学反应动力学原理,建立了非热平衡等离子体电子数密度、电子温度、宏观温度以及内能之间的关系,用以计算超高速碰撞过程中产生等离子体的参数. 给出不同时刻碰撞产生的总电荷数随时间的变化,将数值模拟结果与文献中经验公式结果进行对比,验证了本文中计算超高速碰撞产生等离子体方法的正确性.     

应用FPM方法模拟封闭方腔自然对流

为验证有限粒子方法（FPM）能否很好地模拟自然对流问题,采用FPM方法对封闭方腔自然对流问题进行了数值模拟. 对FPM方法进行详细描述,并利用FPM方法对拉格朗日型的N-S方程进行离散,基于离散后的方程对瑞利数Ra分别为104,105,106的封闭方腔自然对流问题进行数值模拟,给出了不同瑞利数条件下的速度和温度云图以及中心线上量纲一的速度和温度分布曲线. 结果表明,FPM方法能够获得较准确的温度分布规律,当瑞利数较低时也能获得较准确的速度分布规律,但随着瑞利数的增大,速度场的模拟结果精度和稳定性变差,因此为了获得更准确和光滑的速度分布场,需要对FPM方法做进一步的改进.      

北极海冰生消过程关键指标的观测新技术

北极海冰温度和厚度变化是中国第2次北极科学考察(2003年7～9月)中的海冰物理调查内容之一.由于调查数据将应用到海冰热力学数值模拟的验证和模型的修改上,所以对数据的精度和准确度要求较高.海冰层温度剖面、海冰层下水温剖面和海冰层厚度变化均成为调查的关键指标.为了获得准确可靠的现场数据,设计和研制了相应的测试技术和方法.其中人工冻结设备、冰下水温同步测量设备和冰层厚度变化自动监测设备均是新发展的技术方法.文中重点介绍这些新技术方法在现场调查中获得的初步结果和存在的问题,并讨论了改进的设想.     

南极海冰厚度数值模拟

主要进行南极地区海冰厚度的数值模拟研究,并考虑太阳短波辐射等因素对南极海冰厚度变化的影响。根据我国第22次南极科学考察现场观测数据,建立了辨识海冰厚度的最优控制模型,并用遗传算法求解该最优控制问题,仿真结果与现场观测数据吻合良好,表明所建模型和求解算法是准确有效的。     

基于OTM方法的超高速碰撞问题数值模拟

最优输运无网格方法（optimal transportation meshfree method,OTM）相比传统的SPH方法,可以有效克服现有显式分析中能量不守恒问题,完全避免SPH方法中存在的拉力不稳定性,并可规避零能模式的出现.本文采用OTM方法对铝制球形弹丸超高速撞击铝合金靶板问题开展了数值模拟研究.为描述铝在高温高压和高应变率条件下的动态力学响应,采用Johnson-Cook材料模型和Mie-Grüneisen状态方程对超高速撞击单层靶板进行数值模拟,得到的弹坑直径、碎片云长度与宽度以及内核碎片云的形态和分布与实验吻合较好.此外,对超高速撞击双层靶板问题也进行了数值模拟,模拟得到的碎片云形貌参数符合实验结果,二次碎片云的模拟长度与实验结果仅相差2.6%.数值模拟结果表明OTM方法非常适合于模拟超高速碰撞问题.      

冰区海洋平台静态冰载荷概率特性分析

基于Monte Carlo法 ,对冰区海洋平台静态冰载荷的概率特性进行了分析。在平台设计评估载荷的计算中引入广义冰载荷“当量冰力”的概念 ,并用此概念对冰厚和冰强度的联合作用进行了评估。以渤海辽东湾 4个典型台站为例 ,分析了静态冰载荷主要影响因素的概率特性 ,给出了这几个台站附近海域当量冰力的概率分布参数 ,并定量分析了冰厚和气温对当量冰力的影响。模拟结果表明 ,应用Weibull分布描述概率当量冰力是可行的。此外 ,采用多年一遇的极值条件下冰参数组合求得的当量冰力值比Monte Carlo模拟结果保守得多 ,在工程应用中 ,可采用当量冰力作为平台设计载荷的基础。     

北冰洋海平面变化的观测和研究现状

回顾北冰洋海平面观测和研究现状,总结了北冰洋海平面变化特征和变化机制。北冰洋海平面季节变化受海冰生消、蒸发降水和陆地径流季节变化的影响,由比容变化主导;年际到年代际海平面变化受北极涛动影响显著,可用风场异常导致的淡水分布来解释。盐比容变化是深水洋盆海平面变化的主导因素,由之引起的质量变化控制陆架海域和北冰洋平均的海平面变化。近期波弗特环流区域海平面上升极快,与波弗特高压持续增强及淡水积聚有关。气候变暖会导致北冰洋海平面持续上升。海冰快速减退和格陵兰岛冰川融化对北冰洋海平面变化的影响有待深入研究。数据的短缺和观测的不确定性目前仍然制约北冰洋海平面变化的研究工作,高分辨率数值模拟有望成为未来研究的重要工具。     

渤海辽东湾海冰条件的概率分析

本文利用辽东湾海域及其沿岸台站多年的海冰观测资料和有关气象资料,对该海域的海冰条件以及相应的气候规律进行了概率分析、研究了辽东湾南北两个分区的划分、冰厚与气温的关系、冰厚的极值概率分布、太阳黑子数以及El Nino现象对渤海冰情的影响及其长期变化的规律,得到一些可供辽东湾抗冰平台设计参考的数据和结论。     

气候变化背景下渤黄海海温时空特征分析

【目的】研究渤黄海海温时空变化特征及其与全球海温的关系。【方法】采用相关分析、小波分析等方法,对1985—2015年渤黄海海洋站的海温观测资料进行分析。【结果】渤海是中国内海,沿岸海温受陆地影响显著,变化幅度大,对气温响应快;黄海作为太平洋的边缘海,与外海水体交换通畅,水温变化幅度相对较小,水温变化与渤海相比具有一定的滞后性;各站海温变化周期特征不尽相同,但在2000年以后各站均有较为明显的8年周期;渤黄海海温与全球大部分海域一致,近30年呈现上升趋势,但上升速率与同纬度太平洋和大西洋相比较低,黄海海温上升速率高于渤海。【结论】渤黄海海温具有明显的月际、年际和周期变化特征,受海陆分布等因素影响渤黄海海温对气候变暖的响应低于同纬度太平洋和大西洋。     

Comparison of summer thermohaline field and circulation structure of the Bohai Sea between 1958 and 2000

TheBohaiSea(37°07′—41°N,117°35′—121°10′E)isashallowsemi-enclosedsea.SincetheBohaiSeaistheonlyinnerseaofChinaandalsoanimportantstra-tegicsea,itisoneofthemostinvestigatedseasinChina.Alargenumberofstudiesonthetideandthetidalcurrentaswellasnumericalsimulationofcirculationhavebeencarriedout,enhancingourunderstandingoftheBohaiSea.Long-termvariationsoftheseasurfacesalinity(SSS)andseasurfacetemperature(SST)oftheBohaiSeawereanalyzed.Linetal.[1]foundthatthepositivetrendsoftheannualmeanS…     

海冰的数值模拟

在前人工工作基础上建立了海冰的数值模型，建立了动量方程的迭代差分格式及连续方程的分裂差分格式。数值试验表明所建模型及差分格式的可行性，所得结果较好地反映了冰的形成及演变过程。     

渤海海域油污溯源模拟预测研究

【目的】发展有效、准确的溢油溯源预测技术,为渤海海域溢油污染防治以及责任认定提供参考。【方法】建立基于"拉格朗日"粒子追踪方法的油粒子数值溯源预测模型,利用集合预报方法,结合渤海海域气象、海洋环境驱动场,针对秦皇岛岸段发现的油污,通过溯源模型进行模拟,预测其可能来源,分析油污可能发生的原因。【结果】受海面风和海流的综合作用,冬季在秦皇岛北部海域的油污,多会在春季漂移至秦皇岛海域。【结论】本研究模拟预测方法针对不同的海域进行预测分析,可给出油污的可能来源,为溢油源的排查和应急处置提供技术支持。     

海上稠油热化学驱三维物理模拟

依据渤海某稠油油藏的地质特征自主研发设计大型三维物模设备,研究在蒸汽驱过程中伴注化学剂和烟道气等增产措施对稠油热采的强化作用,分析模型温度场和剩余油饱和度场的分布特征,根据三维物模实验条件建立数值模型,验证三维物模实验结果的精确性。结果表明:相比于普通蒸汽驱,热化学驱的单井采收率可提高5.89%,加入烟道气进行强化热化学驱后,气体的隔热增能作用和泡沫的调堵驱油作用可以大幅度扩大油层的热波及面积,提高原油采收率,模型的单井含水率下降了28.17%,采收率提高了37.19%;数值模拟结果与物模实验结果具有良好的拟合程度。     

叶片覆冰对支撑结构抗冰性能的影响分析

海上风能资源作为清洁能源具有较大发展潜力。在我国黄渤海地区,风力机叶片表面在寒冷潮湿环境下易出现覆冰现象,覆冰不均匀可能会改变风机支撑结构的整体力学性能。在结冰海域,海冰会造成风电基础结构强烈的冰激振动。叶片覆冰后不仅会降低风电机组的发电效率,还会影响支撑结构的冰振特性。本文首先通过FENSAP-ICE对叶片覆冰过程进行研究,明确了不同环境条件下的风机叶片覆冰特性;其次,采用增加质量和改变质心位置的等效质量分布方法,建立风机叶片覆冰后支撑结构的冰振响应分析方法。最后,选取某单桩式海上风电基础结构,对不同的风机叶片覆冰情况下支撑结构的力学性能进行分析,并讨论叶片覆冰对支撑结构的抗冰性能影响。