基于FLUENT的北极海冰三维温度场数值仿真和融化模拟

摘要

海冰是北极气候和生态环境系统的重要成员之一，在北极的浮冰带，海洋与大气之间的热量交换受到海冰的强烈影响，同时海冰与其下海水之间的热力和动力相互作用不仅会影响到海洋环流以及温、盐的分布，也会对海冰的增长、消融、运动等产生显著的影响。由于海冰的存在，在大气-海洋间形成了“隔热层”，使海洋与大气之间原有的感热和潜热交换发生了变化，这种变化反过来又会对海冰自身的生消变化造成影响。因此，本文应用大型CFD流体仿真软件FLUENT，研究北极海冰在不同的天气条件下，与周围大气和海洋的热量交换以及海冰的融化情况。本文的主要研究内容包括:
　　 (1)建立海冰、大气和海水三者的几何模型，并在ANSYS Workbench中将三者耦合起来，在海冰-大气和海冰-海水的交界面处分别形成两对耦合面(couple)，在进行Fluent求解前，设置流动的大气和海水的速度入口边界条件和压力出口边界条件，对耦合面上(wall)无需设置任何参数，由Fluent迭代求解出两对耦合面上的对流换热量以及海冰内部温度的分布情况，同时与流体力学中的经验公式以及其他研究方法（一维海冰模式）的计算结果进行对比，分析误差，验证仿真计算的可靠性和有效性。结果表明，Fluent仿真计算值与一维海冰模式中冰-气间感热的计算公式所得到的值之间的误差，随着风速的增加呈现上升的趋势。说明采用Fluent计算模拟较小风速下海冰与大气之间的感热交换具有较高的可靠性。
　　 (2)建立海冰模型，定义海冰与大气接触的上表面和与海水接触的下表面，通过分别设置上、下表面与大气、海水之间的对流传热系数和流动大气、海水的温度，研究在稳态定常情况下，改变风速时，海冰与周围环境的热量交换以及海冰内部温度分布情况的变化。同时，研究在不同的大气条件下（气温不同），海冰的融化情况。结果表明:当气温高于海冰的融化温度时，风速越大，海冰的融化区域也越大。同时，风速对海冰上表面融化的影响要大于其对底面融化和侧面融化的影响;当气温低于海冰的融化温度时，风速越大，海冰整体的融化区域越小，同时随风速的增大，海冰上表面的温度有明显下降的趋势。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 北极海冰研究概述

1．2．1 海洋科学简介

1．2．2 北极海冰介绍

1．2．3 海冰的物理特性

1．3 海冰数值模式研究现状及发展趋势

1．3．1 北极海冰的数值模式介绍

1．3．2 国内外海冰数值模拟的发展趋势

1．4 本文的主要工作

第2章 北极海冰数值仿真平台介绍

2．1 CFD简介

2．1．1 CFD基础理论概述

2．1．2 CFD的数值求解过程

2．2 FLUENT软件介绍及相关理论

2．2．1 FLUENT的边界条件

2．2．2 FLUENT的湍流模型

2．2．3 FLUENT求解参数设置

2．3 基于FLUENT的海冰传热研究技术路线

第3章 耦合模式下的北极海冰温度场数值模拟

3．1 海冰仿真模型的确定

3．1．1 计算模型的简化

3．1．2 三维仿真模型的建立

3．1．3 网格划分与网格质量检查

3．2 FLUENT计算设置

3．2．1 边界条件的设置

3．2．2 FLUENT求解设置

3．3 北极海冰传热仿真结果与分析

3．3．1 仿真结果图及分析

3．3．2 不同风速对海冰传热的影响

3．3．3 经验公式计算结果与仿真结果的对比

第4章 基于Fluent的海冰表面和底面融化模拟

4．1 海冰仿真模型的确定

4．1．1 三维仿真模型的建立

4．1．2 网格划分与网格质量检查

4．2 FLUENT计算设置

4．2．1 边界条件的设置

4．2．2 计算参数的确定

4．2．3 FLUENT求解设置

4．3 基于融化／凝固模型的仿真计算

4．3．1 凝固／融化模型的理论

4．3．2 仿真结果与分析

第5章 结论与展望

5．1 本文的研究结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目