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第1章 绪论 1

1.1海冰研究概述 1

1.1.1海冰数值模型研究 1

1.1.2海冰与大气、海洋的相互作用 5

1.1.3海冰的动力破坏 5

1.2渤海海冰研究概述 7

1.2.1渤海海冰的冰情特点 8

1.2.2海冰监测和调查 9

1.2.3海冰物理力学性质 11

1.2.4海冰数值模拟和预测 12

1.3海冰数值模型研究的工程需求 13

1.3.1海冰灾害预防 13

1.3.2海冰设计参数确定 15

1.4小结 17

参考文献 17

第2章 基于油气海洋平台的海冰现场监测 22

2.1海冰定点现场监测系统概况 22

2.2海冰参数现场监测的数字图像处理系统 26

2.2.1海冰数字图像监测技术 26

2.2.2海冰数字图像监测的程序系统 30

2.2.3海冰数字图像监测技术在渤海油气作业区的应用 33

2.3海冰的雷达监测技术 35

2.3.1航海雷达探测海冰的性能指标 35

2.3.2海冰类型识别 38

2.3.3海冰漂移轨迹的跟踪 40

2.4小结 41

参考文献 42

第3章 海冰的热力学特性 44

3.1海冰的热力过程及数值方程 44

3.1.1长波辐射 45

3.1.2冰面感热和潜热 45

3.1.3冰内热传导 45

3.2冰面太阳辐射的特性分析 46

3.2.1冰面太阳辐射计算 46

3.2.2太阳辐射对海冰生消趋势的影响 49

3.3海洋热通量及冰水间热传递系数 51

3.3.1海洋热通量的确定方法 51

3.3.2辽东湾海洋热通量的确定 52

3.3.3海冰水间的热传递系数 54

3.4海冰热力过程的计算分析 57

3.4.1海冰表面温度的确定 57

3.4.2冰内温度场的计算 57

3.4.3冰厚的计算 59

3.4.4渤海海冰的热力特性分析 59

3.5渤海海冰的特征冰厚 63

3.5.1特征冰厚的物理机制 63

3.5.2特定气象和水文条件下的特征冰厚 63

3.5.3不同气象和水文条件下的特征冰厚 66

3.5.4渤海冰厚随其特征冰厚的动态变化 67

3.6冰厚计算的累积负气温法 68

3.6.1累积负气温方法的物理机理 68

3.6.2累积负气温法在渤海的应用 69

3.7小结 71

参考文献 71

第4章 海冰的动力学特性 73

4.1海冰的动力方程 73

4.1.1海冰漂移的动量方程 73

4.1.2海冰动力要素对比分析 74

4.2海冰的拖曳系数 76

4.2.1海冰拖曳系数的确定方法 76

4.2.2辽东湾JZ20-2海域海冰拖曳系数的动量法确定 79

4.3海冰在风、流和潮汐作用下的动力破坏 81

4.3.1风和流作用下海冰爬升断裂模式 81

4.3.2涨落潮时海冰断裂模式 82

4.4海冰的重叠特性 85

4.4.1一维重叠冰的力学模型 86

4.4.2二维指状重叠冰的力学模型 88

4.5海冰的堆积特性 91

4.5.1冰脊几何尺寸特征 92

4.5.2冰脊帆高的力学模型 94

4.5.3冰脊的力学性质 97

4.6小结 100

参考文献 100

第5章 海冰与波浪的相互作用 103

5.1波浪在冰区中的传播 103

5.1.1波浪在冰区的传播特性 104

5.1.2波浪在冰区传播的黏弹性模型 106

5.2近岸海冰在波浪作用下的断裂 110

5.2.1无限长冰层覆盖水域的波动 111

5.2.2波能通量法 112

5.2.3波浪进入冰层覆盖水域后的波高变化 114

5.2.4冰盖的断裂 114

5.2.5计算结果 114

5.3浮冰在波浪作用下的断裂 117

5.3.1基本理论 117

5.3.2辐射势及绕射势的有限元解法 122

5.3.3冰块内部应力及断裂条件 124

5.3.4计算结果及分析 125

5.4小结 126

参考文献 127

第6章 海冰动力学的本构模型 129

6.1弹塑性及各向异性海冰动力学本构模型 130

6.1.1海冰动力学的弹塑性本构模型 130

6.1.2海冰各向异性弹塑性本构模型 131

6.1.3海冰各向异性损伤模型 133

6.2黏塑性本构模型及其改进 134

6.2.1黏塑性本构模型 135

6.2.2黏塑性屈服函数的改进 138

6.2.3海冰压力项的改进 139

6.2.4海冰碰撞流变学中的黏塑性模型 140

6.2.5基于Hibler黏塑性模型的弹-黏塑性模型 141

6.3中小尺度的黏-弹-塑性本构模型 143

6.3.1基于Mohr-Coloumb准则的VEP本构模型 143

6.3.2海冰VEP本构模型中的Drucker-Prager屈服准则 149

6.3.3海冰VEP本构模型中的粘结力 151

6.3.4规则区域内海冰堆积过程的数值试验 154

6.4小结 161

参考文献 161

第7章 海冰动力-热力过程的数值方法 165

7.1海冰动力-热力过程的有限差分法 166

7.1.1海冰动力-热力过程的基本方程 166

7.1.2海冰动力-热力过程的有限差分方法及其改进 167

7.1.3渤海海冰动力-热力过程的有限差分方法及其改进 169

7.1.4渤海海冰动力-热力过程的FDM数值计算 175

7.1.5渤海整个冰期的海冰-海洋耦合数值模拟 182

7.2海冰动力-热力过程的光滑质点流体动力学方法 187

7.2.1 SPH方法的基本原理及相关参数 188

7.2.2海冰动量方程的SPH形式 192

7.2.3海冰厚度和密集度的计算 194

7.2.4局域性海冰漂移的SPH数值模拟 194

7.2.5辽东湾海冰动力过程的SPH数值模拟 199

7.2.6辽东湾海冰热力-动力过程的SPH数值模拟 204

7.3海冰动力-热力过程的质点-网格法及其改进 210

7.3.1海冰质点在网格内的初始分布 211

7.3.2拉格朗日坐标系下海冰质点输运 212

7.3.3网格内海冰厚度的重新分配 214

7.3.4 PIC方法的改进 216

7.3.5规则区域内海冰堆积过程的数值试验 217

7.3.6改进的PIC方法在渤海海冰动力学模拟中的应用 220

7.4海冰动力学的混合拉格朗-欧拉法 226

7.4.1 HLE方法的基本方程 227

7.4.2涡旋风场下海冰的动力学数值试验 229

7.4.3渤海海冰动力学数值模拟 231

7.5小结 234

参考文献 235

第8章 海冰动力过程的离散单元模型 237

8.1不同尺度下的海冰离散分布特性及尺度效应 238

8.1.1不同尺度下海冰的离散分布特性 238

8.1.2海冰的尺度效应 250

8.2海冰动力过程的离散元数值模拟 252

8.2.1海冰的颗粒离散元模型 253

8.2.2海冰动力过程的离散元数值计算 257

8.3海冰重叠和堆积过程的离散单元数值模拟 263

8.3.1海冰的块体离散单元模型 263

8.3.2海冰重叠和堆积过程的离散元模拟 266

8.3.3大中尺度下海冰动力过程的离散元模拟 268

8.4海冰与波浪相互作用的离散单元模型 270

8.4.1海冰的三维圆盘离散单元模型 271

8.4.2海冰与波浪相互作用的离散单元数值计算 274

8.5海冰对海洋结构作用力的离散单元模型 277

8.5.1具有粘接和破碎效应的海冰离散元模型 278

8.5.2海冰单轴压缩强度和弯曲强度的数值计算 281

8.5.3海冰与直立结构和锥体结构的离散单元模拟 288

8.6小结 295

参考文献 297

第9章 海冰数值模型的工程应用 303

9.1渤海潮流场数值计算 303

9.1.1渤海潮流潮汐的浅水方程及差分格式的建立 304

9.1.2初始和边界条件及计算稳定性 307

9.1.3渤海潮流场计算输入条件 309

9.1.4渤海潮流场计算 310

9.2基于海冰数值模拟的海冰设计参数 313

9.2.1渤海海冰设计参数的区划研究 313

9.2.2基于局地海冰现场监测和数值模拟的海冰设计参数 316

9.3基于海冰预测的冰害风险评估 321

9.3.1海冰管理系统概况 321

9.3.2基于局地海冰数值预报的海冰管理 323

9.3.3基于现场监测的平台系统安全性能分析 325

9.3.4冰害预防标准及防冰措施 329

9.4锥体海洋平台结构的冰振响应分析 330

9.4.1锥体结构的冰力计算 331

9.4.2冰激海洋平台结构振动的有限元模型 333

9.4.3平台结构的简化动力计算 337

9.4.4锥体平台结构冰振响应的统计分析 339

9.4.5海洋平台冰激响应分析的验证 341

9.5工程海冰数值模拟和预测程序系统 343

9.5.1工程海冰数值模拟和预测系统 343

9.5.2工程海冰数值预测的应用 346

9.6小结 354

参考文献 354