海冰离散元模型的研究回顾及展望.pdfVIP

第24卷第4期 极地研究 Vo1．24，No．4 2012年 12月 CHINESE JOURNALOFPOLAR RESEARCH December2012 海冰离散元模型的研究回顾及展望 季顺迎 李春花 刘煜 (大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连 116023； 国家海洋环境预报研究中心，国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京 100081) 提要 为描述极区及副极区海冰在不同尺度下的离散分布特性，以及海冰与海洋结构相互作用过程中的破碎性能 ， 海冰的离散单元模型从2O世纪80年代发展起来并不断完善。将海冰离散单元模型分为地球物理尺度 (～100km)、 浮冰块尺度 (10—1O000m)和海洋结构尺度 (1—10om)等3种不同尺度，讨论不同尺度下海冰的离散分布规律或海 冰由连续状态向离散状态转化的动力过程。通过对块体、圆盘和颗粒不同形态的海冰离散单元模型的介绍，对其在 极区海冰的动力特性、海冰重叠堆积及其与波浪的作用过程、海冰与海洋结构的相互作用中的应用进行分析，对海冰 强度的尺度效应进行讨论。最后 ，讨论海冰离散单元模型中存在的问题和重点研究 内容。 关键词 海冰 离散单元模型 尺度效应 doj：10．3724／SP．J．1084．2012．00315 化过程中有所发展 。当考虑海冰单元因冻结而 0 前言 产生的粘接作用时，它又被进一步应用于极区大尺 度下的海冰动力学中 “J。此外，海冰与海洋结构 海冰在不同尺度下均呈现出很强的离散特性， 物的相互作用是海冰不断破碎与结构物持续振动的 尤其表现为小尺度下的断裂、重叠和堆积现象，以及 耦合过程。近年来，基于离散元模型的海冰与结构 大中尺度下的非连续流变行为。以往人们大多依据 物相互作用的研究取得了很大的进展 ¨。 连续介质力学的方法进行不同尺度下海冰力学性质 采用离散单元模型进行海冰动力过程数值模拟 的研究。近2O年来，则更多地关注于海冰的离散分 的出发点是海冰在不同尺度下均表现出显著的离散 布特性，采用离散单元法表述海冰在不同尺度下的 分布特性。目前，对海冰力学特性的研究大体分为 非连续分布特性，模拟其复杂的动力学行为。 如下3个尺度，即地球物理尺度、浮冰块尺度和海洋 20世纪8O年代，离散单元模型被应用到海冰 结构尺度 。。如果进一步考虑海冰的室内模型 动力学中，通过单元间的碰撞过程研究了平均应力 试验尺度和细观材料尺度，可将海冰力学行为研究 与应变率的对应关系 ¨ 。随后，该模型进一步应用 范畴扩展为5个，即极区及副极区海冰动力学过程 于碎冰区的动力特征模拟 。目前，离散单元模型 的地球物理尺度(一100km)、海冰重叠和堆积过程 不但用于小尺度下冰块间的碰撞模拟 ，还在中尺 的浮冰块尺度 (10—10000m)、海冰与海洋结构物 度下冰脊的形成、冰隙的产生以及冰缘区的海冰演 相互作用的结构尺度(1—100m)、海冰力学性质试 [收稿 日期] 2012年4月收到来稿 ，2012年4月收到修改稿 [基金项 目] 国家海洋公益性行业科研专项经费项 目(2012418007，201105016)、国家 自然科学基金项 目、中央高校基本科研 业务费专项(DUT12YQ02)和国家海洋局极地考察办公室对外合作支持项 目(IC201211)资助 [作者简介] 季顺迎，男，1972年生。博士，