北极航道融冰期海冰物理和力学工程参数研究

论文摘要

随着全球气候变暖,北冰洋海冰在夏季加速消融,北极通航有望实现。北极航行的相关工程问题愈发引起人们的关注,极地船舶冰阻力的合理设计正是关键问题之一。海冰在融冰期由于融化而表现出不同的物理和力学性质,获取准确的融冰期北冰洋海冰物理和力学工程参数已经成为极地船舶冰阻力设计的掣肘。本文基于中国北极科学考察期间开展的海冰厚度和密集度观测、海冰物理参数观测、海冰单轴压缩强度试验以及渤海海冰动摩擦系数相似试验,对北极夏季航行船舶冰阻力计算所需的融冰期北冰洋海冰物理和力学参数进行深入研究。融冰期北冰洋海冰厚度和密集度均随纬度的增加而增加,并且楚科奇海、波弗特海和北冰洋中央海域海冰厚度分布近似服从正态分布。利用走航观测的海冰密集度对融冰期被动微波遥感海冰密集度进行比较,发现融池影响后者的精度,随着融池增多,被动微波遥感海冰密集度发生低估。2008～2016年融冰期北冰洋冰层温度为-2.7～-0.3℃,盐度为0.4‰～3.0‰,密度为601.6～903.2 kg/m3,卤水体积分数为 21.7‰～259.3‰空气体积分数为 34.4‰～380.3‰。以上各参数在楚科奇海、波弗特海和北冰洋中央海域均未表现出显著的空间差异,而冰层温度和卤水体积分数在2008～2016年呈增加趋势。此外,晶体结构观测结果表明北冰洋海冰的生长模式以热力学生长为主。融冰期北冰洋海冰垂直冰面方向单轴压缩强度随应变速率的增加先增大后减小,随孔隙率的增加而减小;以应变速率和孔隙率为参数可以建立融冰期北冰洋海冰单轴压缩强度的参数化方程。将实测的各冰站冰层孔隙率剖面代入该方程可以得到相应冰层垂直冰面方向的单轴压缩强度,2010～2016年融冰期北冰洋冰层垂直冰面方向单轴压缩强度极大值为2.07～3.83 MPa。以极地船舶冰区航行时相对冰层表面的运动方向和相应的速度大小为试验条件开展海冰动摩擦系数的原位相似试验。结果发现海冰动摩擦系数与运动方向无关,但随速度的增加而增加。此外,气温和正压力也对海冰动摩擦系数产生影响。用试验数据对冰摩擦理论模型进行验证,发现速度-状态本构模型能够较好地评估海冰动摩擦系数。本文研究海域包括北极航道途经的楚科奇海、波弗特海和北冰洋中央海域。为北极夏季航行设计船舶冰阻力提供科学依据,本文最后给出了融冰期以上海域船舶冰阻力计算所需的海冰物理和力学参数建议值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外相关工作研究进展
•     1.2.1 北冰洋海冰密集度的观测技术和研究现状
•     1.2.2 北冰洋海冰厚度的观测技术和研究进展
•     1.2.3 北冰洋海冰物理参数和晶体结构研究
•     1.2.4 海冰力学参数研究
•   1.3 本文主要研究内容
• 2 2014年融冰期北冰洋部分海域海冰厚度和密集度分布
•   2.1 引言
•   2.2 海冰厚度和密集度的船基观测方法
•     2.2.1 海冰厚度观测
•     2.2.2 海冰密集度观测
•   2.3 中国第6次北极科学考察冰区航行概述
•   2.4 2014年融冰期海冰厚度分布
•     2.4.1 海冰厚度沿航线分布
•     2.4.2 各海域海冰厚度分布
•   2.5 2014年融冰期海冰密集度分布
•     2.5.1 海冰密集度沿航线分布
•     2.5.2 各海域海冰密集度分布
•   2.6 2010年、2014年和2016年海冰厚度和密集度比较
•   2.7 被动微波遥感密集度数据的验证
•   2.8 本章小结
• 3 融冰期北冰洋海冰物理参数及晶体结构
•   3.1 引言
•   3.2 海冰物理参数和晶体结构观测方法
•   3.3 北极科学考察冰站信息
•   3.4 北冰洋海冰物理参数
•     3.4.1 海冰温度
•     3.4.2 海冰盐度
•     3.4.3 海冰密度
•     3.4.4 海冰卤水和空气体积分数
•     3.4.5 各物理参数之间的相关性
•   3.5 北冰洋海冰晶体结构
•   3.6 本章小结
• 4 融冰期北冰洋海冰单轴压缩强度
•   4.1 引言
•   4.2 海冰单轴压缩强度试验方法
•     4.2.1 海冰单轴压缩强度试验
•     4.2.2 海冰单轴压缩试验条件选取
•   4.3 海冰单轴压缩试验曲线
•   4.4 融冰期北冰洋海冰单轴压缩强度的参数化方程
•     4.4.1 单轴压缩强度与应变速率的关系
•     4.4.2 单轴压缩强度与孔隙率的关系
•     4.4.3 单轴压缩强度的参数化方程
•   4.5 融冰期北冰洋冰层单轴压缩强度
•   4.6 本章小结
• 5 海冰动摩擦系数
•   5.1 引言
•   5.2 海冰动摩擦系数试验方法
•     5.2.1 海冰动摩擦系数试验
•     5.2.2 海冰动摩擦系数试验条件选取
•   5.3 拉力-时间曲线
•   5.4 海冰动摩擦系数的影响因素
•     5.4.1 法向压强对动摩擦系数的影响
•     5.4.2 柱状冰晶体生长方向对动摩擦系数的影响
•     5.4.3 接触材料对动摩擦系数的影响
•     5.4.4 滑动速度对动摩擦系数的影响
•     5.4.5 气温对动摩擦系数的影响
•   5.5 粘滑运动
•   5.6 冰摩擦理论模型的验证
•     5.6.1 摩擦热理论模型
•     5.6.2 速度-状态本构模型
•   5.7 本章小结
• 6 设计冰阻力相关的融冰期北极航道海冰物理和力学参数
•   6.1 引言
•   6.2 极地船舶冰阻力计算公式
•     6.2.1 平整冰区船舶冰阻力计算公式
•     6.2.2 碎冰区船舶阻力计算公式
•   6.3 设计冰阻力相关海冰物理和力学参数建议值
•     6.3.1 渤海平整冰物理参数、晶体结构和单轴压缩强度
•     6.3.2 融冰期北冰洋海冰物理和力学参数建议值
•   6.4 冰阻力计算公式试算
•     6.4.1 平整冰区船舶冰阻力计算公式试算
•     6.4.2 碎冰区船舶阻力计算公式试算
•   6.5 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 创新点
•   7.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王庆凯

导师: 李志军

关键词: 北极,融冰期,海冰,物理参数,力学参数

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,船舶工业

单位: 大连理工大学

基金: 国家重大科学研究计划项目,国家自然科学基金

分类号: P731.15;U675.4

总页数: 147

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