考虑粘接力的海冰动力学本构模型及在渤海海冰数值模拟中的应用

海冰动力学本构模型一直是海冰动力学研究的关键问题之一。如何针对海冰的生消运移特点建立适用于海冰数值模式以及海冰工程结构设计参数应用的本构模型，一直是亟待解决的工程技术难题。对于中小尺度的海冰而言，粘结力对本构模型的影响不容忽视，但目前已有的动力学本构模型中均未考虑粘结力的影响。因此，研究有理论支持并符合实际的考虑粘结力影响的海冰动力学本构模型是十分必要的。本项研究以渤海海冰为研究对象，基于Mohr-Coulomb屈服准则，确定出影响海冰粘结力的三个主要影响因素冰厚、盐度和温度，采用理论与实验相结合确定出粘结力的函数形式。并考虑热力因素在数值模式中的作用建立适用于渤海海冰数值模拟的动力学本构模型及热力-动力数值模式。本研究既有坚实的理论基础，又结合先进的数值计算方法，是对海冰动力学本构模型和数值预报模式的创新，对寒区海上危险冰情预警与预报以及保障海洋结构物安全具有重大现实意义和深远历史意义。

随着海洋灾害的频繁发生，海洋资源开采向寒区的不断延伸，海冰这一自然现象引起了人们强烈的关注，海冰引起的环境和工程问题激发了人们浓厚的研究兴趣。为了深入研究海冰的动力、热力等演化特征，人们在海冰动力学等方面进行了大量研究。其中，对于海冰动力学而言，海冰动力学本构模型一直是海冰动力学研究的关键问题之一。如何针对海冰的生消运移特点建立适用于海冰数值模式以及海冰工程结构设计参数应用的本构模型，一直是亟待解决的工程技术难题。对于中小尺度的海冰而言，粘接力对本构模型的影响不容忽视，但目前已有的动力学本构模型中均未考虑粘接力的影响。因此，研究有理论支持并符合实际的考虑粘接力影响的海冰动力学本构模型是十分必要的。本项目以渤海海冰为研究对象，基于Mohr-Coulomb屈服准则，确定出影响海冰粘接力的三个主要影响因素冰厚、盐度和温度，并针对不同的海冰动力堆积过程，通过理论分析确定了粘接力与冰厚关系的理论公式以及粘接力与温度和盐度的单参数与双参数公式，并利用室内海冰的单轴压缩试验、直接剪切试验和三点弯曲试验，给出了粘接力具体的函数形式。进而建立了基于Mohr-Coulomb屈服准则并考虑粘接力的粘弹塑性海冰动力学本构模型（简称VEPC海冰动力学本构模型）。同时，考虑热力因素在海冰数值模式中的作用，建立适用于渤海海冰数值模拟的海冰热力-动力数值模式。采用此数值模式对渤海辽东湾进行了多年的海冰数值模拟，模拟结果显示VEPC海冰动力本构模型具有良好的适用性。本研究既有坚实的理论基础，又结合先进的数值计算方法，是对海冰动力学本构模型和数值预报模式的创新，对寒区海上危险冰情预警与预报以及保障海洋结构物安全具有重要现实意义。