雙層流體中冰脊拖曳系數(shù)的實驗研究.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)中頁就有可能出現(xiàn)夏季無冰的北冰洋。北極海冰的快速變化對北半球乃至我國的天氣和氣候造成了越來越顯著的影響，而且使得北極航道的開通成為可能，而成為各國政府關(guān)注的焦點。作為目前海冰研究的重要手段，數(shù)值模擬對北極海冰的快速變化仍然模擬得不夠準(zhǔn)確，說明對海冰的關(guān)鍵物理過程仍缺乏深入理解。海冰拖曳系數(shù)是海冰動力學(xué)

2、模型中的重要參數(shù)，對于研究冰-水動力作用過程至關(guān)重要。為了完善冰-水拖曳系數(shù)的參數(shù)化方案，同時考慮到現(xiàn)場觀測中對冰-水界面的動力過程進行觀測的困難程度，本文針對冰-水界面上的冰脊形拖曳力和拖曳系數(shù)開展了實驗室物理模擬實驗研究。
　　首先，目前海冰拖曳系數(shù)參數(shù)化的研究多針對于均勻流體，沒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，有可能對浮冰或者冰脊的運動造成影響。因此，為改進冰

3、-水界面的海冰拖曳系數(shù)的參數(shù)化方案，在實驗室原有水槽的基礎(chǔ)上進行了設(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)，拖曳力測量系統(tǒng)，運動平臺系統(tǒng)，配重系統(tǒng)等。為分層流體實驗的開展奠定了基礎(chǔ)。
　　其次，作為對比實驗，開展了單層流體中的冰脊拖曳力測量，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)論驗證了拖曳力理論公式。對拖曳系數(shù)的分析結(jié)果說明，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，與單層流體的實驗組次一致進行了雙層流體中的冰脊形拖曳力實驗。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，雙層流體中的冰

5、脊拖曳力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢;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，拖曳系數(shù)隨著弗洛德數(shù)增加迅速衰減，與冰脊角度無關(guān);而在弗洛德數(shù)較大(＞0.7)時，拖曳系數(shù)隨著冰脊角度的增大而增大，與弗洛德數(shù)無關(guān)。因此采用分段擬合的方式得到