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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