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PIV技术在实验室模拟冰下流场测试中的应用

作　者: 张强
导　师: 李志军
学　校: 大连理工大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 海冰拖曳系数动力学 PIV技术尾流
分类号: P731.15
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

海冰运动是全球水循环的一个重要环节,对全球的气候变化和寒区海上经济活动都有重要的影响。海冰动力学模型中最重要的参数-拖曳系数的准确与否决定了动力学模型的精度,过去利用涡动法、剖面法和动量法获得了一些海域海冰的拖曳系数经验值,但只是某些特定海域特定时间的定值,且具有很大的离散性,建立拖曳系数与浮冰厚度、表面粗糙度等几何形态的关系,可以大大提高拖曳系数的准确性和适应性,最终提高海冰动力学模型的精度。本文的主要工作就是对浮冰厚度和表面粗糙度变化引起的流场变化进行研究。本文先介绍PIV技术的试验原理,为它应用于冰下流场的测试提供理论依据,然后介绍PIV系统仪器设备、试验所用水槽和冰模型情况,并且对无冰流场进行流速标定,最后应用PIV技术对处于不同底纹和尺寸浮冰下流场和尾流进行测试研究。对流场的研究分为三部分,第一部分分析浮冰对流场的影响区域大小与浮冰底纹、浮冰尺寸和造流速度的关系,发现冰下受影响流场大小随浮冰底纹角度和入水深度线性增加,水槽造流速度的改变对冰下受影响流场的大小影响不明显;第二部分通过对各底纹浮冰动力学粗糙长度的计算,得出粗糙长度随浮冰底纹角度呈线性增大趋势;第三部分对浮冰尾流进行研究,发现冰后尾流区呈对数分布,近浮冰处存在涡流,离浮冰越远的尾流场受造流速度影响越大。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-15
  1.1 历史背景  8-12
    1.1.1 海冰研究的重要性  8-9
    1.1.2 海冰动力学模型及拖曳系数  9-11
    1.1.3 海冰拖曳系数参数化对海冰动力学研究的意义  11-12
  1.2 研究现状  12-13
    1.2.1 冰下流场测试在拖曳系数参数化中所起的作用  12
    1.2.2 实验室物理模拟试验研究的优势  12-13
  1.3 本文主要工作  13-15
2 PIV技术下的物模试验  15-24
  2.1 PIV技术的发展  15
  2.2 试验原理  15-19
    2.2.1 PIV技术的测试原理  15-16
    2.2.2 PIV图像的分析原理  16-18
    2.2.3 PIV系统组成  18-19
  2.3 试验方案及其步骤  19-23
    2.3.1 试验设备  19-21
    2.3.2 流速标定  21-22
    2.3.3 试验组次  22-23
  2.4 本章小结  23-24
3 浮冰对流场的影响  24-32
  3.1 浮冰下的流场  24-26
  3.2 不同底纹浮冰对流场的影响  26-28
  3.3 浮冰对流场影响范围与浮冰尺寸的关系  28-30
  3.4 流速U_0引起的流场变化  30-31
  3.5 本章小结  31-32
4 粗糙长度Z_0与浮冰底纹角度的关系  32-44
  4.1 粗糙度概述  32-33
    4.1.1 物理粗糙度  32
    4.1.2 动力学粗糙度  32-33
  4.2 浮冰粗糙长度Z_0  33-41
    4.2.1 粗糙长度Z_0的求取  33-37
    4.2.2 各底纹的粗糙长度Z_0  37-39
    4.2.3 粗糙长度Z_0与流速U_0的关系  39-41
  4.3 粗糙长度Z_0与浮冰底纹角度的关系  41-43
  4.4 本章小结  43-44
5 冰后尾流场的流速衰减  44-59
  5.1 不同条件下的尾流场形态  44-46
  5.2 尾流场内流速衰减与流速、浮冰尺寸的关系  46-58
    5.2.1 流速沿水深分布  46-49
    5.2.2 流速沿水平截面分布  49-53
    5.2.3 造流速度变化对尾流的影响  53-56
    5.2.4 浮冰入水深度对尾流的影响  56-58
  5.3 本章小结  58-59
结论  59-60
参考文献  60-62
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  62-63
致谢  63-64

PIV技术在实验室模拟冰下流场测试中的应用

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