雙層流體中冰脊拖曳系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、全球氣溫升高在北極地區(qū)被放大，稱為“北極放大”現(xiàn)象。北極海冰在過(guò)去幾十年內(nèi)發(fā)生了前所未有的快速變化，導(dǎo)致海冰范圍和厚度的持續(xù)衰減，在本世紀(jì)中頁(yè)就有可能出現(xiàn)夏季無(wú)冰的北冰洋。北極海冰的快速變化對(duì)北半球乃至我國(guó)的天氣和氣候造成了越來(lái)越顯著的影響，而且使得北極航道的開通成為可能，而成為各國(guó)政府關(guān)注的焦點(diǎn)。作為目前海冰研究的重要手段，數(shù)值模擬對(duì)北極海冰的快速變化仍然模擬得不夠準(zhǔn)確，說(shuō)明對(duì)海冰的關(guān)鍵物理過(guò)程仍缺乏深入理解。海冰拖曳系數(shù)是海冰動(dòng)力學(xué)

2、模型中的重要參數(shù)，對(duì)于研究冰-水動(dòng)力作用過(guò)程至關(guān)重要。為了完善冰-水拖曳系數(shù)的參數(shù)化方案，同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中對(duì)冰-水界面的動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)的困難程度，本文針對(duì)冰-水界面上的冰脊形拖曳力和拖曳系數(shù)開展了實(shí)驗(yàn)室物理模擬實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先，目前海冰拖曳系數(shù)參數(shù)化的研究多針對(duì)于均勻流體，沒(méi)有考慮海洋分層的情況，而北極夏季海冰邊緣區(qū)內(nèi)的海水鹽度躍層由于海冰融化的影響一般出現(xiàn)在較淺的位置，有可能對(duì)浮冰或者冰脊的運(yùn)動(dòng)造成影響。因此，為改進(jìn)冰

3、-水界面的海冰拖曳系數(shù)的參數(shù)化方案，在實(shí)驗(yàn)室原有水槽的基礎(chǔ)上進(jìn)行了設(shè)備改造，建立了分層流體模擬系統(tǒng)，包括鹽水注入系統(tǒng)，拖曳力測(cè)量系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)，配重系統(tǒng)等。為分層流體實(shí)驗(yàn)的開展奠定了基礎(chǔ)。
　　其次，作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，開展了單層流體中的冰脊拖曳力測(cè)量，考慮了6種不同形狀的冰脊模型在5種入水深度與12種水流流速下所受拖曳力的變化。分析說(shuō)明單層流體中冰脊拖曳力隨著冰脊底角、水流流速和冰脊入水深度的增大而增大，冰脊所受拖曳力與速度的平方

4、存在良好的線性關(guān)系，這一結(jié)論驗(yàn)證了拖曳力理論公式。對(duì)拖曳系數(shù)的分析結(jié)果說(shuō)明，單層流體中冰脊拖曳系數(shù)隨著水流流速的增大基本保持不變，隨著冰脊入水深度的增大而緩慢增大且增幅較小，隨著冰脊底角的變大而顯著變大。冰脊底角是影響單層流體中冰脊拖曳系數(shù)的主要因素。
　　最后，與單層流體的實(shí)驗(yàn)組次一致進(jìn)行了雙層流體中的冰脊形拖曳力實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，雙層流體中的冰脊拖曳力與單層流體中的變化規(guī)律存在明顯區(qū)別，當(dāng)弗洛德數(shù)處于1-2區(qū)間時(shí)，雙層流體中的冰

5、脊拖曳力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì);當(dāng)弗洛德數(shù)大于2之后，雙層流體中的冰脊拖曳力與單層流體中的對(duì)應(yīng)值基本一致，這主要是由于界面內(nèi)波的影響造成的。而拖曳系數(shù)變化過(guò)程也較單層流體的情況存在差別，除了冰脊傾角的影響外，弗洛德數(shù)對(duì)雙層流體中拖曳系數(shù)的影響也很明顯。在弗洛德數(shù)較小(＜0.7）時(shí)，拖曳系數(shù)隨著弗洛德數(shù)增加迅速衰減，與冰脊角度無(wú)關(guān);而在弗洛德數(shù)較大(＞0.7)時(shí)，拖曳系數(shù)隨著冰脊角度的增大而增大，與弗洛德數(shù)無(wú)關(guān)。因此采用分段擬合的方式得到