摘 要

近些年来，全球气候持续变化，已经成为世界各国关注的焦点所在，对北极地区也产生了很大的影响—北极海冰的大规模融化。北极地区出现“北极放大”现象，也就是北极地区的气候变化已经是接近全球气候变化平均水平的2倍的现象。导致“北极放大”的最主要因素就是北极海冰内部发生的一系列反馈作用。可以说，正是这种反馈影响着北极气候，进一步影响着全球气候。实际上，这种反馈就是北极的水—冰—气三者之间相互作用，相互影响，相互之间发生一系列热力学过程和动力学过程，从而在北极建立一个相对稳定的系统。

本文借助计算流体仿真软件FLUENT建立了海冰在不同气候条件下与海水和大气的热量交换情况，利用pro/E建立了水—冰—气的三维数值模型以及海冰模型，对不同情况（风速、气温等）下进行模拟；通过对所得结果进行系列分析计算,以及利用FLUENT软件将水—冰—气三者进行耦合计算，对海冰内部结构变化对传热的影响进行深入分析。这对深入了解北极气候变化的原因以及对研究北极海冰及其传热机理具有重要的指导意义。

研究结果表明：海冰的形状（尤其是冰脊），海冰微结构，风速以及气温都会影响北极地区热量传递，进而影响北极气候，影响全球气候。论文主要研究内容是系统总结出海冰复合结构内部传热和融化过程的变化规律，最终深刻揭示北冰洋积雪-海冰复合结构内部传热和融化机理，为我国进行大规模研究北极海冰的快速融化机理奠定重要的理论基础。

本文的特色：利用FLUENT流体仿真软件建立了水—冰—气三维数值模型；利用pro/E建立了北极海冰模型并进行仿真；利用迭代求解以及一些经验公式等进行准确计算分析。

关键词：北极海冰；耦合传热；三维数值模型；对流换热

Abstract

In recent years, the sustained global climate change has a great impact on the Arctic Region - the Arctic sea ice coverage is decreasing.The Arctic has been "Arctic amplification" phenomenon, which is the Arctic climate change is almost 2 times the global average phenomenon.The most important factor leading to the Arctic amplification is a series of feedback in the Arctic sea ice.It can be said that this feedback affects the Arctic climate, further affecting the global climate.In fact, this kind of feedback is the Arctic ice water gas between the three interaction, mutual influence, a series of thermodynamic and kinetic processes between them, so as to establish a relatively stable system in the arctic.

With the help of computational fluid simulation software FLUENT to build the sea ice in different climates and seawater, atmospheric heat exchange and its melting condition, a three-dimensional numerical model is established using pro/E gas - water ice and sea ice model in different conditions (wind speed, temperature) under simulated；through the analyses of the results of a series of calculation, and the use of FLUENT software of water ice and gas three coupling calculation, the influence of internal structure change on the heat transfer of ice.It is of great significance for us to understand the causes of Arctic climate change and to study the Arctic sea ice and its heat transfer mechanism.

This paper mainly studies the internal causes of Arctic climate change and the Arctic sea ice coupled heat transfer mechanism, hoping to contribute to global climate change.

The results show that the shape of sea ice, especially the ice ridge, wind speed and temperature can affect the heat transfer in the Arctic region, and then affect the Arctic climate, affecting the global climate.

The results show that the shape of sea ice, especially the ice ridge, wind speed and temperature can affect the heat transfer in the Arctic region, and then affect the Arctic climate, affecting the global climate.

The characteristics of this paper: using the FLUENT fluid simulation software to establish a three-dimensional numerical model of water ice air; using pro/E to establish the sea ice model; using the iterative solution and some empirical formulas to calculate and analyze accurately.

Key words: Arctic sea ice; coupled heat transfer; FLUENT; 3D numerical model; temperature field; convective heat transfer.

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 北极海冰研究概述 2

1.2.1 海洋科学简介 2

1.2.3海冰的物理特性 3

1.3海冰数值模拟和研究现状 4

1.3.1北极海冰的数值模拟介绍 4

1.3.2国内外海冰数值模拟研究现状 5

第2章 流体仿真软件FLUENT介绍 7

2.1FLUENT简介 7

2.2.1FLUENT概述 7

2.2.2控制方程 7

2.2FLUENT的工程应用背景 8

2.3FLUENT的优点 8

2.4FLUENT模块组成 9

第3章 北极海冰模型建立与仿真计算分析 10

3.1海冰模型的确立 10

3.1.1计算模型的简化 10

3.1.2 三维仿真模型的建立 12

3.1.3网格划分与网格质量检查 13

3.2 FLUENT计算设置 14

3.2.1边界条件设置： 14

3.2.2FLUENT求解设置 15

3.3北极海冰传热仿真结果与分析 15

3.3.1仿真结果图及分析 15

3.3.2不同风速下的海冰传热情况 19

第4章 总结与展望 26

4.1总结 26

4.2创新点 26

4.3展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

北极是极为重要的一部分，它的任何变动甚至是微小的变化都会对全球有很大的影响。如今，全球气候变暖是全人类共同的挑战，而北极在这个挑战中扮演着举足轻重的角色。北极气候系统由三大部分组成，分别是北极海冰，海洋和大气，它们三者之间互相作用，互相平衡，形成一个极为复杂但却非常有效的作用链，共同维持着全球气候系统的相对平衡与稳定^[1]。

北极海冰作为影响北极地区气候系统至关重要的一部分，对于北极地区乃至全世界气候系统都有着极为重要的影响。北极海冰通过影响北冰洋表面各种各样的平衡，例如辐射平衡、能量平衡和物质平衡等等，和大洋内部温流、盐流的形成以及循环等过程，直接或间接影响着全球气候变化，海冰的变化已经成为人类对未来不断变化的气候进行预测的最大不确定因素之一。一方面，北极海冰作为极地大气系统的下边界，有极高反照率，可以很容易将极区的大多数太阳辐射能反射，进而限制极区大气的能量来源^[2]；另一方面,海冰同时也是北极海洋的上边界,海冰的存在把海洋与大气的物质和能量交换阻碍甚至隔断,严重影响了海洋与大气之间的能量交换。近些年以来，由于海冰面积不断减少,也就相应的增加了极地的能量来源,从而导致了北极地区的气温、海温等都发生着不同程度的变化;同时,北极海洋又作为全球海洋系统的一个重要组成部分,北极海温的任何变化势必也会引起全球海洋环流发生变化。因此,北极海冰与北半球海温之间的关系犹如唇齿关系,而北极海温与全球气候变化又是紧密相关的,因此研究它们之间的关系对于未来进行全球气候变化的研究必定会有着极为重要的作用。