基于FLUENT的北極海冰三維溫度場(chǎng)數(shù)值仿真和融化模擬.pdf

1、海冰是北極氣候和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的重要成員之一，在北極的浮冰帶，海洋與大氣之間的熱量交換受到海冰的強(qiáng)烈影響，同時(shí)海冰與其下海水之間的熱力和動(dòng)力相互作用不僅會(huì)影響到海洋環(huán)流以及溫、鹽的分布，也會(huì)對(duì)海冰的增長(zhǎng)、消融、運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生顯著的影響。由于海冰的存在，在大氣-海洋間形成了“隔熱層”，使海洋與大氣之間原有的感熱和潛熱交換發(fā)生了變化，這種變化反過(guò)來(lái)又會(huì)對(duì)海冰自身的生消變化造成影響。因此，本文應(yīng)用大型CFD流體仿真軟件FLUENT，研究北極海冰在不

2、同的天氣條件下，與周圍大氣和海洋的熱量交換以及海冰的融化情況。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　 (1)建立海冰、大氣和海水三者的幾何模型，并在ANSYS Workbench中將三者耦合起來(lái)，在海冰-大氣和海冰-海水的交界面處分別形成兩對(duì)耦合面(couple)，在進(jìn)行Fluent求解前，設(shè)置流動(dòng)的大氣和海水的速度入口邊界條件和壓力出口邊界條件，對(duì)耦合面上(wall)無(wú)需設(shè)置任何參數(shù)，由Fluent迭代求解出兩對(duì)耦合面上的對(duì)流換熱量以

3、及海冰內(nèi)部溫度的分布情況，同時(shí)與流體力學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)公式以及其他研究方法（一維海冰模式）的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析誤差，驗(yàn)證仿真計(jì)算的可靠性和有效性。結(jié)果表明，F(xiàn)luent仿真計(jì)算值與一維海冰模式中冰-氣間感熱的計(jì)算公式所得到的值之間的誤差，隨著風(fēng)速的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。說(shuō)明采用Fluent計(jì)算模擬較小風(fēng)速下海冰與大氣之間的感熱交換具有較高的可靠性。
　　 (2)建立海冰模型，定義海冰與大氣接觸的上表面和與海水接觸的下表面，通過(guò)分別設(shè)

4、置上、下表面與大氣、海水之間的對(duì)流傳熱系數(shù)和流動(dòng)大氣、海水的溫度，研究在穩(wěn)態(tài)定常情況下，改變風(fēng)速時(shí)，海冰與周圍環(huán)境的熱量交換以及海冰內(nèi)部溫度分布情況的變化。同時(shí)，研究在不同的大氣條件下（氣溫不同），海冰的融化情況。結(jié)果表明:當(dāng)氣溫高于海冰的融化溫度時(shí)，風(fēng)速越大，海冰的融化區(qū)域也越大。同時(shí)，風(fēng)速對(duì)海冰上表面融化的影響要大于其對(duì)底面融化和側(cè)面融化的影響;當(dāng)氣溫低于海冰的融化溫度時(shí)，風(fēng)速越大，海冰整體的融化區(qū)域越小，同時(shí)隨風(fēng)速的增大，海冰上表