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基于SPH方法的渤海海冰动力学数值模拟 被引量:4
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作者 王刚 岳前进 +2 位作者 李海 季顺迎 吕和祥 《大连理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第3期322-328,共7页
简要介绍了光滑质点流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法的基本原理,并将此方法应用到渤海海冰动力学数值模拟中.在对海冰动力学方程和粘弹塑性本构方程进行SPH处理的基础上,对渤海海冰的动力演化过程进行了48 h... 简要介绍了光滑质点流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法的基本原理,并将此方法应用到渤海海冰动力学数值模拟中.在对海冰动力学方程和粘弹塑性本构方程进行SPH处理的基础上,对渤海海冰的动力演化过程进行了48 h的数值模拟,得到了海冰厚度、密集度、速度和主应力的演化过程及分布规律,同时对模拟的海冰厚度等值线分布与卫星遥感图像进行了对比分析.数值模拟结果表明,SPH能够精确地模拟海冰分布规律以及冰缘线的位置,具有很高的计算精度和稳定性,是一种有效的海冰动力学数值模拟方法. 展开更多
关键词 光滑质点流体动力学 海冰动力学 粘弹塑性本构模型 数值方法
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海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉数值方法 被引量:5
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作者 李海 季顺迎 +2 位作者 沈洪道 王瑞学 岳前进 《海洋学报》 CAS CSCD 北大核心 2008年第2期1-11,共11页
综合考虑欧拉坐标下有限差分法(FDM)在海冰动力学计算中的效率,以及拉格朗日坐标下光滑质点流体动力学方法(SPH)对海冰流变行为的精确模拟,本文发展了一种海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉(HLE)数值方法。该方法首先在拉格朗日坐标下将海... 综合考虑欧拉坐标下有限差分法(FDM)在海冰动力学计算中的效率,以及拉格朗日坐标下光滑质点流体动力学方法(SPH)对海冰流变行为的精确模拟,本文发展了一种海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉(HLE)数值方法。该方法首先在拉格朗日坐标下将海冰离散为若干个具有厚度、密集度的海冰质点,并由这些海冰质点通过Gauss函数对欧拉网格上的海冰参量进行积分插值;然后,在欧拉坐标下对海冰动量方程进行差分计算以确定各网格节点的海冰速度,并由此采用Gauss函数积分插值出拉格朗日坐标下各海冰质点的速度分布;最后,通过对海冰质点运动和分布的计算,确定出各海冰质点的位置、厚度和密集度等参量。采用该HLE方法对规则区域内的海冰堆积过程和涡动风场作用下的海冰动力演化趋势进行了数值试验;最后,采用该HLE方法对渤海海冰的动力过程进行了72 h数值模拟,其计算结果与卫星遥感图像和现场观测资料吻合较好。以上计算结果均表明该HLE方法在海冰动力学数值模拟中具有较高的计算效率和模拟精度,可用于海冰动力过程的数值模拟。 展开更多
关键词 混合拉格朗日-欧拉法 海冰动力学 数值方法 黏塑性本构模型
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基于Mohr-Coulomb准则的黏弹-塑性海冰动力学本构模型 被引量:15
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作者 季顺迎 沈洪道 +2 位作者 王志联 奚海莉 岳前进 《海洋学报》 CAS CSCD 北大核心 2005年第4期19-30,共12页
针对中小尺度下海冰动力作用过程中的漂移、重叠和堆积特征,在连续介质力学基础上建立了一个黏弹塑性海冰动力学本构模型.该模型主要包括四部分,即海冰在屈服前的Kelvin Vogit黏弹模型、海冰塑性屈服的Mohr Coulomb准则、屈服后相关联... 针对中小尺度下海冰动力作用过程中的漂移、重叠和堆积特征,在连续介质力学基础上建立了一个黏弹塑性海冰动力学本构模型.该模型主要包括四部分,即海冰在屈服前的Kelvin Vogit黏弹模型、海冰塑性屈服的Mohr Coulomb准则、屈服后相关联的正交流动法则和影响海冰强度的静水压力.采用黏弹塑性本构模型对规则海域内的海冰堆积过程进行了数值试验,其结果与传统黏塑性模型、改进的黏塑性模型和经典冰坝理论的解析解相符,可合理地模拟海冰堆积的动力过程.为进一步检验该黏弹塑性本构模型的适用性,对渤海海冰的动力过程进行了48h的数值模拟,计算结果与海冰卫星遥感现场观测资料一致.通过与传统的黏塑性和改进的黏塑性模型结果的对比分析,进一步验证了黏弹塑性模型在中小尺度海冰动力学模拟中的可靠性.在以上海冰堆积的数值试验和渤海海冰动力学模拟中均采用了光滑质点流体动力学(SPH)方法. 展开更多
关键词 海冰动力学 本构模型 黏塑性 黏弹-塑性 Mohr—Coulomb准则
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海冰动力学数值模拟中改进的PIC方法 被引量:4
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作者 王瑞学 季顺迎 岳前进 《计算力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第4期440-446,共7页
为了准确地模拟海冰的动力过程,需要建立精确有效的数值方法。本文结合质点网格法(PIC)和光滑质点流体动力学方法(SPH)发展了一种改进的PIC方法。该方法在欧拉坐标下对海冰动量方程进行差分计算,在拉格朗日坐标下进行海冰质点位移、厚... 为了准确地模拟海冰的动力过程,需要建立精确有效的数值方法。本文结合质点网格法(PIC)和光滑质点流体动力学方法(SPH)发展了一种改进的PIC方法。该方法在欧拉坐标下对海冰动量方程进行差分计算,在拉格朗日坐标下进行海冰质点位移、厚度和密集度计算,并采用Gauss函数进行欧拉网格点与拉格朗日质点间海冰参数的交互插值。采用改进的PIC方法对规则区域内的海冰堆积过程进行了数值试验,对渤海海冰的动力过程进行了72小时数值模拟。计算结果均表明改进的PIC方法具有计算量小,计算结果平稳精确的优点,可很好地适用于海冰动力作用过程的数值模拟。 展开更多
关键词 质点网格法 光滑质点流体动力学 海冰动力学 数值方法
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海冰动力学中本构模型研究的若干进展 被引量:6
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作者 季顺迎 岳前进 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2005年第2期235-248,共14页
从20世纪70年代,人们在不同尺度下建立了一系列的海冰动力学本构模型用于海冰数值模拟和预测.将目前应用的海冰动力学本构模型分为弹塑性、黏塑性、各向异性和颗粒流体动力学中的黏弹塑性模型4类,并分别讨论了各类模型的特点和适用范围... 从20世纪70年代,人们在不同尺度下建立了一系列的海冰动力学本构模型用于海冰数值模拟和预测.将目前应用的海冰动力学本构模型分为弹塑性、黏塑性、各向异性和颗粒流体动力学中的黏弹塑性模型4类,并分别讨论了各类模型的特点和适用范围.尤其对在极区及副极区大、中尺度下广泛应用的黏塑性及其改进的本构模型进行了深入地分析.最后得出:在大、中尺度下建立海冰动力学的黏弹塑性本构模型是提高海冰动力学计算精度的有效途径;将小尺度下采用黏弹塑性本构模型的海冰颗粒流体动力学的计算时效进一步改进后,可在大、中尺度下对海冰的重叠、堆积特性进行模拟;进一步开展海冰动力学的尺度效应研究,进行海冰本构模型的实验验证,并建立不同尺度模型间的相互联系也应是海冰动力学本构模型研究的重要内容. 展开更多
关键词 海冰动力学 本构模型 弹塑性 各向异性
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广义双剪粘弹塑性本构模型在渤海海冰动力学中的应用 被引量:1
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作者 王刚 季顺迎 +1 位作者 吕和祥 岳前进 《应用力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第3期357-361,共5页
在连续介质力学基础上建立了一个广义双剪粘弹塑性海冰动力学本构模型。该模型在海冰屈服前采用Kelvin-Vogit粘弹性模型,考虑中间主应力和静水压力对海冰屈服的影响选用广义双剪应力屈服准则作为海冰屈服判据,屈服后采用相关联的正则流... 在连续介质力学基础上建立了一个广义双剪粘弹塑性海冰动力学本构模型。该模型在海冰屈服前采用Kelvin-Vogit粘弹性模型,考虑中间主应力和静水压力对海冰屈服的影响选用广义双剪应力屈服准则作为海冰屈服判据,屈服后采用相关联的正则流动法则。采用该本构模型对渤海海冰动力过程进行了48小时数值模拟,讨论了辽东湾海冰的厚度、密集度、冰速和主应力的分布规律,其中海冰厚度分布与卫星遥感资料符合良好,从而有效地验证了该广义双剪粘弹塑性本构模型在海冰动力学中的可靠性。 展开更多
关键词 海冰动力学 本构模型 粘弹塑性 广义双剪应力屈服准则 流动法则
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基于光滑质点流体动力学的海冰热力-动力数值模式 被引量:8
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作者 王刚 李海 +2 位作者 季顺迎 岳前进 吕和祥 《水科学进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第4期523-530,共8页
考虑海冰热力因素对其厚度、密集度的影响,在光滑质点流体动力学(SPH)基础上发展了一个海冰热力-动力数值模式。该模式既解决了传统欧拉有限差分法和质点网格法存在的数值扩散问题,同时弥补了光滑质点动力学海冰动力模式未考虑热力因素... 考虑海冰热力因素对其厚度、密集度的影响,在光滑质点流体动力学(SPH)基础上发展了一个海冰热力-动力数值模式。该模式既解决了传统欧拉有限差分法和质点网格法存在的数值扩散问题,同时弥补了光滑质点动力学海冰动力模式未考虑热力因素的不足,具有精确模拟冰缘线运动、计算精度高等优点。首先介绍了光滑质点流体动力学的基本原理,并对海冰生消的热力因素进行了分析,将影响冰厚和密集度的热力因素引入到光滑质点流体动力学的海冰动力模式中,得到该热力-动力模式的控制方程。应用该数值模式对渤海海冰进行了48 h数值模拟,得到了海冰厚度和速度矢量的分布规律;对JZ20-2海域的海冰厚度、冰内温度场分布以及热力因素的变化特性进行了讨论。数值模拟结果表明,该数值模式能够很好地适用于渤海海冰数值模拟,是一种有效的海冰数值模拟方法。 展开更多
关键词 光滑质点流体动力学 海冰动力学 海冰力学
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极地海冰动力过程的多面体离散元方法
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作者 李继 王嗣强 +1 位作者 王安良 季顺迎 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第4期651-658,共8页
极地海冰影响局部海域的通航条件乃至地质尺度上的气候预测,由于基于连续介质理论的海冰数值模式如网格方法难以应对浮冰尺度的模拟,近年来离散元方法越来越多用于海冰动力学领域。本文使用基于表面网格划分的多面体描述浮冰,通过使用GJ... 极地海冰影响局部海域的通航条件乃至地质尺度上的气候预测,由于基于连续介质理论的海冰数值模式如网格方法难以应对浮冰尺度的模拟,近年来离散元方法越来越多用于海冰动力学领域。本文使用基于表面网格划分的多面体描述浮冰,通过使用GJK(Gilbert-Johnson-Keerthi)算法以进行初步接触判断并提高计算效率,采用基于能量守恒接触理论确定单元间接触力,由此建立了极地海冰多面体离散元方法。将该方法应用于极地海冰动力过程模拟,并考虑Hopkins提出的冰脊形成导致的海冰间塑性接触力。首先通过两个浮冰间碰撞模拟以验证接触力计算的正确性,再通过对单向均匀风场下浮冰挤压的模拟验证冰脊生成的模拟能力,最后研究冻结强度参数对剪切风场下冰盖断裂和冰脊生成的影响。结果表明,极地海冰多面体离散元方法能够合理地反映地质尺度海冰的动力过程,并且可有效地模拟冰盖线性运动引起的冰隙和冰脊等动力特征。 展开更多
关键词 海冰动力学 离散元方法 冰脊模型 海冰断裂
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海冰动力过程的改进离散元模型及在渤海的应用 被引量:6
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作者 季顺迎 王安良 +2 位作者 米丽丽 刘煜 李宝辉 《海洋学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第5期54-67,共14页
海冰的断裂、重叠和堆积等离散分布特性广泛地存在于极区和副极区的不同海域,并对海冰的生消、运移过程有着重要影响。针对海冰在不同尺度下的离散分布特点,发展海冰动力过程的离散元方法有助于完善海冰数值模式,提高海冰数值模拟的计... 海冰的断裂、重叠和堆积等离散分布特性广泛地存在于极区和副极区的不同海域,并对海冰的生消、运移过程有着重要影响。针对海冰在不同尺度下的离散分布特点,发展海冰动力过程的离散元方法有助于完善海冰数值模式,提高海冰数值模拟的计算精度。为此,本文针对海冰生消运移过程中的非连续分布和形变特性,发展了适用于海冰动力过程的改进离散元模型(MDEM)。不同于传统离散元方法,该模型将海冰离散为具有一定厚度、尺寸和密集度的圆盘单元。海冰单元设为诸多浮冰块的集合体,其在运移和相互接触碰撞过程中,依照质量守恒发生单元尺寸、密集度和厚度的相应变化。基于海冰离散性和流变性的特点,该模型采用黏弹性接触本构模型计算单元间的作用力,并依据Mohr-Coulomb准则计算海冰法向作用下的塑性变形及切向摩擦力。为验证该模型的可靠性,本文对海冰在规则水域内的运移和堆积过程进行了分析,离散元计算结果与解析值相一致;此外,对旋转风场下海冰漂移规律的模拟进一步验证了本文方法的精确性。在此基础上,对渤海辽东湾的海冰动力过程进行了48h数值分析,计算结果与卫星遥感资料和油气作业区的海冰现场监测数据吻合良好。在下一步工作中将考虑海冰离散元模拟中的热力因素影响,发展具有冻结、断裂效应的海冰离散元模型,更精确地模拟海冰动力-热力耦合作用下的生消和运移过程。 展开更多
关键词 海冰动力学 离散元模型 堆积冰 渤海
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北极海冰模型研究进展综述
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作者 孙芳 吴宝勤 +1 位作者 吴云帆 张永莉 《海洋测绘》 CSCD 北大核心 2024年第4期54-57,63,共5页
海冰模式是目前国内外北极海冰历史重建、机制分析与预测未来演变的重要工具。通过比较主流海冰模式的关键参数化方案设置的异同,包括主要的热力学与动力学过程、海冰厚度再分布归纳了当前海冰模式的改进情况,回顾了海冰模式结果对于北... 海冰模式是目前国内外北极海冰历史重建、机制分析与预测未来演变的重要工具。通过比较主流海冰模式的关键参数化方案设置的异同,包括主要的热力学与动力学过程、海冰厚度再分布归纳了当前海冰模式的改进情况,回顾了海冰模式结果对于北极关键区域季节变化、年际差异与极端事件成因分析所提供的支持;最后,提炼出海冰模式未来发展的方向,为我国北极海冰模式构建与发展、北极海冰快速变化机制研究和北极海冰精细化预报工作提供参考。 展开更多
关键词 北冰洋海冰 海冰模式 参数化方案 海冰力学过程 海冰动力学过程 机制分析
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海冰流变学方案对比模拟试验
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作者 刘喜迎 《极地研究》 CAS CSCD 北大核心 2011年第2期90-97,共8页
利用美国麻省理工学院开发的数值模式MITgcm设计了区域冰-洋耦合数值模拟试验,开展了海冰动力学过程中两种流变学方案(黏性-塑性流变学和弹性-黏性-塑性流变学)的对比研究。结果表明,两种方案模拟的海冰内部应力张量分量σ11和σ22总体... 利用美国麻省理工学院开发的数值模式MITgcm设计了区域冰-洋耦合数值模拟试验,开展了海冰动力学过程中两种流变学方案(黏性-塑性流变学和弹性-黏性-塑性流变学)的对比研究。结果表明,两种方案模拟的海冰内部应力张量分量σ11和σ22总体分布形式相近。冬季,大值区主要位于加拿大北极群岛和格陵兰岛北侧以及格陵兰岛东侧靠近陆地海区。夏季,大值区主要位于加拿大北极群岛和格陵兰岛北侧。但σ12差别较大,可造成海冰相互作用力的明显差异。海冰相互作用力差值矢量在波弗特海区域呈逆时针涡旋分布而在北冰洋内部呈围绕北极点的顺时针涡旋分布,这导致海冰流速差异也出现相似的特点。相比较而言,弹性-黏性-塑性流变学方案对波弗特涡模拟得更好一些。 展开更多
关键词 MITgcm 冰-洋耦合 海冰动力学 流变学 海冰数值模拟
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Dynamic Characteristics of Irregular Ice Floes Based on Polyhedral Discrete Element Method
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作者 LI Ji WANG Si-qiang +1 位作者 LIU Lu JI Shun-ying 《船舶力学》 EI CSCD 北大核心 2024年第12期1849-1863,共15页
In polar regions, floating ice exhibits distinct characteristics across a range of spatial scales. It is well recognized that the irregular geometry of these ice formations markedly influences their dynamic behavior. ... In polar regions, floating ice exhibits distinct characteristics across a range of spatial scales. It is well recognized that the irregular geometry of these ice formations markedly influences their dynamic behavior. This study introduces a polyhedral Discrete Element Method (DEM) tailored for polar ice, incorporating the Gilbert-Johnson-Keerthi (GJK) and Expanding Polytope Algorithm (EPA) for contact detection. This approach facilitates the simulation of the drift and collision processes of floating ice, effectively capturing its freezing and fragmentation. Subsequently, the stability and reli ability of this model are validated by uniaxial compression on level ice fields, focusing specifically on the influence of compression strength on deformation resistance. Additionally, clusters of ice floes nav igating through narrow channels are simulated. These studies have qualitatively assessed the effects of Floe Size Distribution (FSD), initial concentration, and circularity on their flow dynamics. The higher power-law exponent values in the FSD, increased circularity, and decreased concentration are each as sociated with accelerated flow in ice floe fields. The simulation results distinctly demonstrate the con siderable impact of sea ice geometry on the movement of clusters, offering valuable insights into the complexities of polar ice dynamics. 展开更多
关键词 discrete element method GJK-EPA algorithm sea ice dynamics floe geometry
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