冰脊對(duì)冰下流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬研究.pdf

1、全球氣溫升高在北極地區(qū)被放大，稱為“北極放大”現(xiàn)象，而海冰是北極地區(qū)下墊面最重要的特征，對(duì)大氣環(huán)流、海洋環(huán)流以及區(qū)域氣候有很大的影響。近年來(lái)，北極海冰的快速變化對(duì)北半球天氣的影響越來(lái)越明顯，同時(shí)也使得北極新航道的開(kāi)通成為可能，因此研究北極海冰的變化越來(lái)越重要。海冰數(shù)值模式是目前海冰研究的重要手段之一，其中海冰動(dòng)力學(xué)方程主要描述了海洋、大氣與海冰間的動(dòng)力相互作用，海冰拖曳力是影響海冰運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素，而拖曳系數(shù)則是決定海冰拖曳力大小的重要參

2、數(shù)，目前對(duì)海冰拖曳系數(shù)的研究已經(jīng)逐漸向參數(shù)化方向發(fā)展。
　　本文以冰-水界面的冰脊形拖曳系數(shù)為研究目標(biāo)，利用FLUENT軟件來(lái)模擬6種不同形狀的冰脊模型在5種入水深度與12種水流流速下流場(chǎng)的情況與所受拖曳力的大小，并與物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。首先，分析了冰下流場(chǎng)與尾流場(chǎng)的動(dòng)力特性，討論了流場(chǎng)的影響范圍和冰下垂直剖面流速隨冰脊底角、冰脊入水深度和水流流速改變而變化的具體情況，得到冰下流場(chǎng)與尾流場(chǎng)的受影響區(qū)域隨著冰脊底角的增大和冰脊

3、入水深度的增加而增大，而隨著水流流速增大變化很小;冰下流場(chǎng)的垂直剖面流速隨著冰脊底角和入水深度的增大而增大;冰后尾流場(chǎng)產(chǎn)生的漩渦大小與冰脊入水深度和冰脊模型的底角大小有關(guān)，而與水流速度無(wú)關(guān)。并且將數(shù)值模擬的流場(chǎng)與物理模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩種方法所得的流場(chǎng)吻合良好。
　　其次對(duì)冰脊所受拖曳力的大小進(jìn)行了分析。得出拖曳力隨著冰脊底角、水流流速和冰脊入水深度的增大而增大，冰脊所受拖曳力與速度的平方存在良好的線性關(guān)系，這一結(jié)論驗(yàn)證了拖

4、曳力理論公式。并且將數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，除了底角為10°的冰脊模型外，其他模型冰脊所得的拖曳力值均吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算方法的可行性與有效性。對(duì)拖曳系數(shù)進(jìn)行了定性與定量的分析，得出拖曳系數(shù)隨著水流流速的增大基木保持不變，隨著冰脊入水深度的增大而緩慢增大，增幅較小，隨著冰脊底角的變大而顯著變大，且拖曳系數(shù)與冰脊底角之間呈對(duì)數(shù)關(guān)系。
　　最后討論了在數(shù)值模擬中，水槽尺寸的大小對(duì)冰脊所受拖曳系數(shù)的影響，得出冰脊