海冰与自升式海洋平台相互作用GPU离散元模拟

在海冰与自升式海洋平台结构的相互作用过程中,冰载荷是影响平台结构振动响应和疲劳寿命的重要因素. 采用具有粘接-破碎效应的离散元模型,可对海冰与自升式海洋平台结构作用中的海冰破碎特征及相应冰载荷进行数值分析. 针对自升式海洋平台的多桩腿结构特性及其冰载荷离散元分析的大规模计算需求,建立了基于GPU 的并行算法并开发了相应的计算程序. 为实现离散元分析的高效计算,采用网格排序方法创建单元邻居列表,以快速确定海冰单元间及其与平台结构间的接触模式和作用力. 此外,还发展了球体单元与圆柱形结构在不同接触形式下的计算模型. 为检验该离散元模型的有效性,对渤海锥体海洋平台结构的作用过程进行了计算,并与现场实测冰力数据进行了对比验证. 在此基础上对多桩腿自升式平台结构的冰载荷进行了离散元分析,获得了海冰的破坏特性,确定了不同桩腿上的冰力时程. 该模型可进一步应用于不同类型海洋结构的冰载荷分析,为冰区海洋平台的结构设计和现役平台结构的疲劳分析提供参考依据.      

北极海域海洋环境噪声建模与特性分析

北极海域海洋环境噪声的特殊性在于具有偶发的尖脉冲声,为分析其特性与规律,首先建模仿真分析不同脉冲噪声下高斯分布与α稳定分布的拟合效果,验证后者的鲁棒性。再从实测北极海域噪声中选取三种典型环境噪声为样本,通过对其非高斯性判定及不同分布模型对比,验证α稳定分布在北极海域环境噪声统计特性建模中的有效性,同时研究不同深度、不同频段对模型参数的影响,最后通过各月参数的统计结果与海冰密集度分析冰下噪声成因。由于通道数量有限,没有给出所有深度的变化规律。结果表明,北极海域冰下环境噪声具有明显脉冲成分和非高斯性,利用α稳定分布能更好的描述其统计特性;100Hz可作为冰下环境噪声脉冲性干扰源的划分界限;结冰期环境噪声具有强烈的非高斯性,而冰封期则高斯性较强。     

北极冰下双轴声道传播特性研究

本文利用第六次北极科学考察的所得的楚科奇海温盐深数据,开展了北极海域声传播特性研究。通过引入Diachok海冰散射模型,将海冰界面模拟为无限椭圆形半圆柱体在自由界面的随机分布,利用Twersky散射理论计算了海冰的反射系数。使用简正波中的KRAKENC模型,结合海冰参数,进行了传播损失仿真分析。研究表明,北极的双声道波导中表面声道的传播特性与声源频率和收发深度紧密相关。深海声道与北极典型声速结构的传播特性一致,具有频率选择特性,在20 Hz左右时传播特性较为理想。此外,在远程传播时,深海声道的传播特性要优于表面声道。     

海冰对水下量子通信信道性能的影响

为研究海冰对水下量子通信信道性能的影响,基于海冰在不同的密度、盐度下的吸收与散射特性,建立了海冰参数与消光系数之间的关系、光量子信号衰减模型;根据海冰在不同密度、盐度下的消光特性,分别建立海冰参数与信道利用率、量子密钥分配系统误码率、系统成码率之间的关系并进行数据仿真。理论分析与仿真结果可为海冰环境下的水下量子通信设计提供参考。     

基于IMB的南极近岸海冰物质平衡过程研究

介绍了目前对南极海冰厚度的多种检测手段,提出了基于电容感应技术利用浮标作为载体的新式检测方法的设计方案.相应位置电极所测得的电容值与所测海冰厚度所对应,利用温度数据作辅助判断,通过分析多点电容值变化判断海冰变化情况,实现了海冰厚度的实时监测.     

海冰动力学中本构模型研究的若干进展

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.      

基于巴西盘试验的海冰拉伸强度研究

海冰拉伸强度是其基本力学性能之一, 同时也是冰区船舶与海洋工程结构设计所需的重要参数. 对于脆性材料的拉伸强度测试, 巴西盘劈裂试验相比单轴拉伸试验在试样制备与加载上具有明显的优势. 为研究海冰的拉伸强度特征, 对渤海辽东湾沿岸的粒状冰开展了系统的巴西盘劈裂试验研究. 在加载过程中与试样破坏后, 分别对加载横梁的位移与加载力以及试样最终破坏模式进行了记录. 同时, 对试样的冰晶结构、盐度、温度以及密度进行了测量. 通过改变加载速率、试样厚度与试样温度以研究不同参数对试验结果的影响. 针对传统试验中试样的刚体假设, 考虑了试样变形对应力状态的影响并将其引入了理论模型. 试验过程中所有海冰试样均以劈裂模式破坏. 试验结果表明, 加载速率与试样厚度对拉伸强度的影响并不显著, 但孔隙率的影响较为明显. 当孔隙率由75‰降低至10‰时,拉伸强度由1.0 MPa升高至2.8 MPa. 与单轴拉伸试验所测得数据对比, 巴西盘劈裂试验所得到的拉伸强度随孔隙率的变化趋势相一致. 但该方法所得到的粒状冰拉伸强度要高于预期结果. 试验表明巴西盘劈裂试验中海冰试样的破坏模式与试验结果均较为合理, 可成为海冰拉伸强度的有效测试方法.      

基于DEM-FEM耦合方法的海上风机结构冰激振动分析

冰载荷是海上风机在寒区安全运行的重要影响因素之一,由其引发的冰激振动给风机结构带来了严重的危害.本文通过离散元(discrete element method,DEM)--有限元(finite element method,FEM)耦合方法建立了寒区单桩式风机结构的冰激振动模型.采用具有粘结--破碎性能的球体离散单元描...     

电容感应式冰厚监测系统在南极海冰监测中的应用

为了实现对南极的实时自动化监测,设计并研制了电容式冰厚监测系统,系统于2012年3月至8月对南极中山站附近的近岸海冰进行了连续6个月的厚度自动化监测,通过对监测数据的对比分析,得到了监测系统的准确度与相对偏差.结果证明系统用于高精度定点监测海冰厚度是可行的,并对系统监测南极海冰的不足与今后改进研究的内容进行了讨论.     

船运铁矿粉污染海冰反射光谱特征研究

国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）中关于防止船舶垃圾污染的附则V规定,对含有海洋环境有害的物质（HME）的干燥残留物必须在适当的港口接收设施中排放,但因费用等因素影响,很多船只将废弃物直接抛弃于海洋中。散落于海冰表面的船运铁矿粉会污染海冰品质,并加速海冰融化,对海洋环境造成一定的污染。对铁矿粉污染海冰的光谱反射率特征的研究,能够为利用光学遥感影像进行海冰品质监测提供数据基础。通过现场测量覆盖不同面积比例铁矿粉颗粒的海冰和清洁海冰之间光谱特征差异,为港口附近铁矿粉污染的范围以及沉降量的估算提供参考和依据。该研究是在渤海海域天然海冰条件下进行的,获取并分析了不同污染程度的海冰光谱特征,探讨这些光谱特征与铁矿粉颗粒几何截面积比例的相关性。为了反演海冰表面铁矿粉面积比例,利用光谱矢量角余弦值和光谱吸收指数阈值法进行了海冰、铁矿粉端元提取,根据混合像元线性解混模型理论,建立基于特征光谱波段反射率值的海冰表面铁矿粉面积比例反演模型。所研究海冰表面铁矿粉面积比例分为0 （洁净海冰）,25.8%,37.2%,46.1%,52.1%,65.1%,72.5%,82.3%,92.3%,93.1%和100%（纯铁矿粉）等,数据采集波长范围350～2 500 nm。结果表明,利用1 460 nm波段处的吸收指数（SAI）进行海冰和铁矿粉端元提取效果最佳,反射率与铁矿粉面积在918～1 400,1 500～1 780和2 250～2 300 nm波段,相关系数都大于0.90,86%以上波段范围的反射率与铁矿粉面积的相关系数在0.90以上,91.75%以上的波段范围相关系数在0.80以上。选取1 610～1 630 nm波段的平均反射率估算铁矿粉面积比例,几何截面积较小的误差一般大于几何截面积较大的,在克服海冰背景反射率的影响下,比较精确地估算了海冰-铁矿粉像元中铁矿粉颗粒的几何截面积比例,平均反演精度达到94.23%。