冰洞形成热过程及控制因素的数值模拟研究

冰洞（ice cave）是指那些常年有冰存在的岩洞，特别引人注意的是在年平均气温高于0度的温带地区存在的冰洞，是一种罕见而又脆弱的自然奇观，它们是怎样形成的，它们对环境变化提供了什么信息，对人类又有什么启示，在欧美已经研究了一百多年，在我国才刚刚起步，亟待开展深入研究。本申请拟对洞穴内常年存在冰的形成原因和控制因素进行并行有限元数值模拟，找出能够产生冰洞所需要的空气年平均温度和变化幅度、地温梯度的阈值，提高我们利用冰洞研究气候变化的分辨能力，了解可持续开发冰洞旅游资源需要采取的措施，赶超国际冰洞研究的先进水平。同时，探讨能否利用冰洞形成的天然机理，为人类夏季空调节能提供新的思路。这一自然奇观的揭秘，也将是对广大群众、特别是青少年的生动科普教材。

在年平均气温高于0℃的自然条件下存在常年保存有冰体的洞穴，是一种十分罕见的现象。山西宁武“万年冰洞”是国内已发现的规模最大的冰洞，如何合理解释其内部冰体的形成和保存机制是一个科学难题。本研究通过有限元暂态数值计算，模拟冰洞四季热传递过程认识到，冰体得以持续存在的控制因素在于：对于宁武冰洞这类只有顶部一个洞口的山洞，冬季外部空气比冰洞内空气冷，外部冷空气通过冰洞口，与冰洞内空气发生自然热对流，使冰洞内部冷却；而春、夏、秋季外部空气比冰洞内热，冷空气沉在洞底，效率很低的热传导不足以使冰洞内温度显著上升。 由于冰-水相变潜热作用，即使夏季靠近洞口部分冰体融化，也需吸收大量热量，从而进一步阻止冰洞内部冰体的融化。计算结果显示，宁武冰洞目前的游客数目不会导致冰体融化，气候稍许变暖也不会导致冰洞消失，但如果冰洞开发为游览景点后在洞口设置密封门，切断冬季冷空气进入洞内自然对流冷却洞体的通道，冰洞内冰体在不到40 年时间内将全部融化，“万年冰洞”将被人为破坏。这在另一个冰洞-五大连池冰洞正在发生。.我们还研究了冰体的运动和剥蚀作用，定量化三维模拟了弯曲冰川流动时的侵蚀作用，不但可重复前人V形谷向U形谷演变的二维模拟成果，而且首次在三维模拟中展示了冰川侧蚀作用的特征，揭示了峡湾生成机制。冰川槽谷是一种常见的冰川侵蚀地貌. 在冰川侵蚀地貌研究中, 冰川槽谷占据着重要地位. 与发育的河流呈蛇曲状成鲜明对照, 发育的冰川槽谷往往比较宽直. 这种比较直的冰川槽谷只是局部地区的特有现象还是普遍特征? 控制冰川槽谷比较直的主因是什么? 截至目前,学者暂未对这些科学问题展开研究. 本文运用三维有限单元法, 建立了冰川侵蚀作用的数值模型, 模拟了冰川槽谷的侵蚀演化过程. 数值模拟结果显示: 弯曲蜿蜒的冰川在向深部侵蚀形成U 形谷的同时还存在侧向侵蚀, 迎冰坡的侵蚀速率大于背冰坡的侵蚀速率; 坡度越小(大),冰川侵蚀作用强度越小(大); 冰流量越小(大), 冰川侵蚀作用强度越小(大). 冰川在侵蚀过程中, 由于迎冰坡的侵蚀速率始终较背冰坡的大, 导致冰川谷始终向着更直的形态发展. 本文的主要结论是: 冰川槽谷的形状演化主要受冰川自身侵蚀机理的控制, 冰川槽谷形态具有削弯取直的演化趋势..本研究解释了万年冰洞成因，以及科学保护旅游资源可持续发展的方法。.研究得到BBC，Scince News报道。