摘 要

南北两极是全球生态系统的重要组成部分，而极地冰冻圈的雪、冰又是影响大气与海洋水循环的关键环节；极地冰冻圈作为地球的最大冷源，与赤道共同作用形成了地球大气环流的主要驱动力。极地海冰和冰盖融水形成的底层水又是驱动全球大洋环流运动的关键因素。极地冰冻圈雪冰状态的变化会对地球大气和海洋环流产生重要影响，从而影响整个地球生态系统。因此，对极地海冰的传热过程进行研究具有重要意义。本文采用了常用CFD软件ANSYS对海冰的传热过程进行了数值仿真，建立了空气-海冰-海水的三层模型，并用Fluent进行求解，对模拟结果进行了分析。并在此基础上进一步讨论了温度分布对海冰应力的影响。

关键词：海冰；温度场；ANSYS数值仿真

Abstract

The North pole and the South pole is an important part of the global ecological system, and the snow and ice of polar cryosphere is key process of atmosphere and ocean water cycle. As the largest cold source of the earth, polar cryosphere and the equator works together to provide the main driving force of earth's atmospheric circulation. The bottom water which formed from polar sea ice is the key factor that driving the global ocean circulation movement. The state of Polar cryosphere’s snow and ice have an important impact on the earth's atmosphere and ocean circulation, which could affect the earth's ecological system seriously. Therefore, to study the heat transfer process of the polar sea ice is of great significance. We adopt a commonly used CFD software ANSYS to conduct numerical simulation of the heat transfer process of sea ice in this article, by establishing the atmosphere - sea ice -sea water three layers model ,solving it through Fluent software, and analyzing the simulation results. The stress of sea ice is also analysed under different thermal conditions.

Key words: sea ice; temperature field; ANSYS numerical simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 研究现状 2

1.3 本文的主要工作 3

第2章 海冰模型建立及数值仿真方法 4

2.1海冰模型的确定 4

2.1.1海冰几何模型 4

2.1.2海冰流固耦合模型 6

2.2网格划分与网格质量检查 6

2.2.1网格划分 6

2.2.2网格质量检查 7

2.3数值仿真方法简述 8

2.3.1CFD简介 8

2.3.2Fluent简介 8

第3章海冰传热过程仿真及强度分析 10

3.1Fluent计算设置 10

3.1.1边界条件的设置 10

3.1.2Fluent求解设置 10

3.2海冰传热过程仿真及计算结果分析 11

3.2.1传热仿真图及结果分析 11

3.2.2风速条件对海冰传热的影响 13

3.2.3水流速度对海冰传热的影响 15

3.3海冰强度仿真结果与分析 17

3.3.1空气温度对海冰应力分布的影响 17

3.3.2海水温度对海冰应力分布的影响 20

第4章 结论与展望 23

4.1结论 23

4.2展望 23

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

海冰是淡水冰晶、卤水和含有盐分的气泡混合体，通常指代的是由海水直接冻结而成的咸水冰。广义的海冰还包括在海洋中的浮冰、冰山等。它在全球气候系统中扮演着一个必不可少的角色，同时，直接或间接的影响我们的日常生活与生产 。人类对海冰的认识和研究，最早是出于同海冰灾害的抗争。海冰灾害是指由海冰引起的对于人类的生产活动和日常生活起到不良影响的自然事件，它可能带来诸如航道堵塞、海洋工程建筑物损坏、港口码头封冻、水产养殖减产等等诸多生命及财产的损失。我国于1969年曾在渤海范围内发生的特大冰封便是一次典型的海冰灾害，造成了巨大的经济损失。

北半球绝大多数的海冰都分布在北极圈内，北极既是北半球大气循环中冷空气的发源地，又是北半球洋流中冷洋流的发源地,它的大气、海洋、海冰运动都会对全球生态系统、气候系统造成直接影响，使得大气环流和洋流等产生变异。研究表明在当前全球迅速变暖的危局下,北极地区的气候在最近的几十年里相对于其他地区而言变化尤为剧烈。北极海冰作为北极所具有的独特环境元素之一，是北极的重要组成部分,它的量变和质变都体现着北极气候的变化。我国地处北半球，北极地区是我国冷空气的主要来源，北极环境的变化直接影响我国的气候与经济发展。

对北极海冰的研究，早期是出于对北极航道的探索，早在16世纪，来自欧洲的探险家们就希望通过北大西洋和北冰洋，开辟一条能通往传说中的富饶的东方大陆的新航道，因为当时经由好望角和合恩角的航线都被葡萄牙和西班牙所控制。历经了两个多世纪的探险之后才分段打通了北极航道，而却由于恶劣的气候环境和落后的科学技术等原因搁置了下来。然而随着全球变暖现象日渐加重，北极温度也逐年升高，北冰洋的海冰面积正以一个惊人的速度消退，每十年减少大约10%，这一现象使得北极航道的通航成为了可能。根据2007年夏季相关探测卫星传递回来的图像和数据显示，北冰洋东北航道和西北航道都达到了可通航的水平，这使得北极地区又重新成为了全球航运业关注的焦点；就我国而言，通过北极航道进行航运具有极大的优势，尤其是我国北方，相较于传统航线甚至可以获得50%的距离优势，大大的降低了航运成本，如果可以利用北极航道，不仅可以减少我国对于传统航线的依赖，还能对我国航运企业的发展起到促进作用。除了能提供更短更近的路线外，北极地区本身就是一个资源富集的区域，已探明的石油、矿产等资源储量巨大，如果北极航线得以开通，对于我国而言又将是一条新的资源通道，对于北极地区资源的开采和利用，可以大大的缓解由于我国经济飞速发展而剧烈膨胀的能源需求，缓解能源压力。

在挪威，俄罗斯，加拿大等传统极地国家之后，我国也认识到了极地科学研究的重要性；1989年10月10日，中国极地研究所正式成立。自1999年7月至2014年7月，我国先后进行了6次大规模的北极考察，深化了对北极海洋、海冰与大气耦合传热过程的研究，探索了“北极海冰快速变化机理”和“北极海洋生态系统对海冰快速变化的响应”等重要课题。但由于我国起步较晚，且大量的外国研究结果都处于保密阶段，所以急需要对海冰进行大量的研究来填补这方面的空白。