基于光滑质点流体动力学的海冰热力2动力数值模式.PDF

第 18 卷 第 4 期 水 科 学 进 展 Vol18 ,No4 2007 年 7 月 　　 ADVANCES IN WATER SCIENCE 　 Jul. , 2007 　 基于光滑质点流体动力学的海冰热力 动力数值模式 1 ,2 3 2 2 2 王　刚 , 李　海 , 季顺迎 , 岳前进 , 吕和祥 ( 1 大连大学建筑工程学院 , 辽宁 大连　116622 ; 2 大连理工大学工程力学系 , 工业装备结构分析国家重点实验室 , 辽宁 大连　116024 ; 3 国家海洋环境预报中心, 北京　100081) ( ) 摘要 : 考虑海冰热力因素对其厚度、密集度的影响 , 在光滑质点流体动力学 SPH 基础上发展了一个海冰热力动力 数值模式。该模式既解决了传统欧拉有限差分法和质点网格法存在的数值扩散问题 , 同时弥补了光滑质点动力学 海冰动力模式未考虑热力因素的不足 , 具有精确模拟冰缘线运动、计算精度高等优点。首先介绍了光滑质点流体动 力学的基本原理 , 并对海冰生消的热力因素进行了分析 , 将影响冰厚和密集度的热力因素引入到光滑质点流体动 力学的海冰动力模式中 , 得到该热力动力模式的控制方程。应用该数值模式对渤海海冰进行了 48 h 数值模拟 , 得 到了海冰厚度和速度矢量的分布规律 ; 对 JZ202 海域的海冰厚度、冰内温度场分布以及热力因素的变化特性进行 了讨论。数值模拟结果表明 , 该数值模式能够很好地适用于渤海海冰数值模拟 , 是一种有效的海冰数值模拟方法。 关 　键 　词 : 光滑质点流体动力学 ; 海冰动力学 ; 海冰热力学 ( ) 中图分类号: P73115 　　　文献标识码 : A 　　　文章编号 : 2007 海冰是影响全球大气和海洋环流的重要环境因素 , 同时也是寒区海上经济活动面临的主要海洋灾害。为了 深入认识海冰的客观规律 , 解决不同领域所面临的海冰问题 , 人们在对海冰进行现场监测、室内实验的同时 , 也在不断建立和完善各种数值计算方法 , 以对海冰进行精确的模拟和预报。 海冰的物理演变过程大致分为热力和动力两个部分。要准确地模拟海冰的生消、演化过程 , 特别是在气 象、水文条件差别较大的海域 , 必须同时考虑海冰的热力过程和动力过程 , 建立合理的海冰热力动力模式。 在目前的海冰热力动力模式中 , 数值模拟所采用的一般是欧拉有限差分法和质点网格法 , 其中欧拉坐标 下的有限差分法是目前应用范围最广的数值方法[1 ,2 ] , 但该方法在计算海冰动力方程中的平流项时 , 不仅存在 数值扩散现象 , 同时也不能精确计算控制方程中的梯度项 , 这导致其模拟冰缘线位置时会出现很大的误差。考 虑欧拉坐标与拉格朗日坐标各自优点的质点网格法虽然能够处理扭曲比较严重的二维流体力学问题 ,