海冰与海水间热力作用过程及海冰单轴压缩强度特性的试验研究

论文摘要

海冰的力学性质与破坏机理是冰区海洋结构与船舶等工业装备的主要设计依据。在风、浪、流等海洋环境驱动下,海冰受拉伸、挤压或剪切作用而发生断裂、破碎并可形成冰脊。此时,海冰厚度可在短期内成倍增长,但其力学性质却又与平整冰有很大差异。对于通过再冻结所形成的重叠冰或冰脊固结层等类型海冰,其强度不仅由平整冰的力学性质所决定,同时也与热力学影响下的冻结层冰晶结构密切相关。综合考虑热力学冻结过程与材料破坏机理是衡量冰载荷特性以及工程应用的有效途径。为此,本文以平整冰、冰脊和重叠冰为研究对象,分别对其冰-水间的热力作用过程及力学性质开展系统的研究。在海冰热力过程研究中,通过浸没试验分析海冰与海水间的瞬态热交换过程,以分析该过程中冰温与冰厚的变化特点,得到了新生冰在细观尺度下的冰晶结构特点及影响因素;在海冰力学性质的研究中,通过现场实测分别对平整冰与重叠冰进行单轴压缩试验,确定了两种类型海冰的强度特征与破坏模式,并结合冻结层的结构特点分析了两种海冰单轴压缩强度的差异性。本文研究内容主要包括以下几个方面:通过浸没试验和有限差分数值模拟研究了冰在瞬态热力作用过程中的冰温变化特点及相变特性。在瞬态热力作用过程中,冰水界面处的温差引起冰水间较强的热交换。根据瞬态热传导过程中冰温与冰厚的变化特征,在模型试验与数值模拟基础上进行的量纲分析表明,无量纲冰温仅随傅立叶数变化,而无量纲冰厚增长则由斯蒂芬数、影响热对流的初始冰温与初始冰厚共同决定。通过量纲分析得到了冰温与冰厚变化的无量纲关系式,并可通过该关系式对不同初始条件下的冰温变化与最终冰厚增长量进行预测。由于盐分使盐水冰的比热与盐水的相变热等热力学性质成为受温度与盐度影响的动态参数,并由此改变了瞬态热力作用过程中的冰温与冰厚变化特性。在盐水冰瞬态热传递过程中,冰厚变化率与盐度呈正相关的对应关系;冰温升高速率随着盐度增加而逐渐减弱。在相同的热传递条件下,新生冰厚度随水的盐度增加而明显增厚。通过对新生冰细观冰晶结构的测量发现,冰的生长过程本质上为水的结晶过程与排盐过程之间的相互竞争。当相变速率较慢且水的盐度较低时,冰在生长过程中能够有效排出水中的盐分,所形成的冰晶尺寸较大且冰水界面较为平滑;当相变速率较快且水的盐度较高时,生长过程中卤水通道的密度增加且冰水界面处的高盐度“过冷层”显著地抑制了冰的生长,此时产生的冰晶直径较小,且冰水界面处容易产生凹凸不平的“针状”结构。试验结果还进一步表明,冰晶直径与初始冰温-结冰点之间的温差、盐水的盐度呈反比,与冰的盐度呈正比。由此可知,冰水界面处的几何形态及冰晶结构与冰的生长速率、盐水的盐度密切相关。通过现场试验研究了平整冰在单轴压缩作用下的韧-脆转化及各向异性特点。在不同加载速率与加载方向下测量了海冰的应力、应变与宏观破坏模式。在低应变速率下,海冰的变形过程主要由冰晶之间的位错滑移作用产生并受到卤水的润滑作用,在宏观上由蠕变过程主导并最终产生韧性破坏;在高应变速率下,裂纹尖端的应力集中无法通过蠕变作用缓解而在宏观上表现出脆性破坏特征;当应变速率满足试样由蠕变向裂纹生长的临界条件时,海冰发生韧-脆转化。由于海冰内部晶体的柱状结构特点,外载荷与冰晶之间的相对方向对海冰的破坏模式及强度产生显著的影响。海冰在竖直方向的压缩强度要明显高于水平方向的压缩强度。本文试验表明海冰在竖直方向的压缩强度是水平方向的三倍左右,而发生韧-脆转化的临界应变速率降低约一个量级。在渤海自然环境下,本文制作生成重叠冰并保留海冰表面的几何特征,对重叠冰进行了不同加载速率下的单轴压缩试验。该重叠冰主要由上层平整冰、水下平整冰、两层之间的冻结层三部分组成。在低应变速率下,重叠冰内部主要发生韧性破坏。由于冻结层对蠕变过程中的晶间滑移位错过程的影响较小,因此重叠冰与平整冰的强度较为接近。在高应变速率下,重叠冰主要发生脆性破坏。此时裂纹有较大几率在冻结层的粒状晶体间穿过,其不同于平整冰的柱状冰晶破坏,因此重叠冰在高加载速率下的强度明显低于平整冰。重叠冰发生韧-脆转化的应变速率要低于平整冰。最后,对本文的主要研究工作进行了总结,并对海冰物理力学性质试验中的主要问题进行了讨论和展望。

论文目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.1.1 工程海冰的研究背景

1.1.2 海冰与结构相互作用的研究

1.2 海冰的细观结构及物理性质

1.2.1 微观尺度下海冰的形成过程

1.2.2 海冰的卤水动态及脱盐机理

1.2.3 海冰的细观冰晶结构

1.2.4 海冰形态特征

1.3 冰水间瞬态传热过程研究

1.3.1 冰水瞬态传热的自然形成条件

1.3.2 瞬态传热下冰内的能量变化

1.3.3 基于能量形式的热力学模型

1.3.4 冰-水界面处的热交换

1.4 海冰的力学行为

1.4.1 平整冰单轴压缩过程中海冰的韧性破坏

1.4.2 平整冰单轴压缩过程中海冰的脆性破坏

1.4.3 单轴压缩下的海冰韧-脆转化机理

1.4.4 冰脊龙骨的剪切强度及破坏过程

1.5 本文的主要研究内容

2 冰-水间的瞬态热交换过程及其相似准则研究

2.1 引言

2.2 浸没试验的理论分析方法及物理模型

2.2.1 基于能量形式的热力学模型

2.2.2 基于热通量的热力学模型

2.3 模型冰制作方法及试验装置研制

2.3.1 模型冰制作原理

2.3.2 模型冰的制作装置

2.3.3 冰池浸没试验装置

2.4 冰在水中浸没过程的试验结果

2.4.1 瞬态传热过程中的冰温变化

2.4.2 瞬态传热过程中的冰厚变化

2.5 冰-水界面处热传递特征研究

2.5.1 冰-水间热传递的测试与计算方法

2.5.2 淡水环境中冰水界面的热交换

2.5.3 海水环境中冰水界面的热交换

2.5.4 冰水界面的换热系数特征

2.6 瞬态热交换过程的数值模拟

2.6.1 一维热传递的数值模型

2.6.2 瞬态热传递的数值模型验证

2.6.3 数值模拟结果分析

2.7 冰-水间瞬态热传递过程的相似准则

2.7.1 傅立叶数对冰温变化的影响

2.7.2 毕渥数与斯蒂芬数对冰厚变化的影响

2.7.3 瞬态热传导量纲关系的适用性分析

2.8 本章小结

3 冰的生长过程及其影响下的细观冰晶结构

3.1 引言

3.2 冰生长过程及其影响因素的试验研究

3.2.1 冰-水间的相变特性研究

3.2.2 冰内盐分对生长过程的影响

3.2.3 水体盐分对生长过程的影响

3.2.4 冰水双重盐分作用下的海冰生长过程

3.3 新生冰的晶体结构特征

3.3.1 生长速度对冰晶结构的影响

3.3.2 海水盐度对冰晶结构的影响

3.3.3 海水温度对冰晶结构的影响

3.4 海冰生长中的排盐过程及其对冰晶结构的影响

3.4.1 海冰生长中的排盐过程分析

3.4.2 瞬态热传递中的新生冰生长过程

3.4.3 冰晶结构的特征分析

3.5 本章小结

4 平整冰在单轴压缩下的韧-脆转化机理及破坏模式

4.1 引言

4.2 便携式低温压缩试验系统的研制

4.3 试验设计及试样加工采集方法

4.4 单轴压缩下平整冰韧-脆转化的试验及数据分析

4.4.1 平整冰单轴压缩强度的试验方案

4.4.2 海冰单轴压缩的应力-应变曲线

4.4.3 应变率对海冰单轴压缩强度的影响

4.4.4 加载速率对海冰有效弹性模量的影响

4.5 平整冰在单轴压缩下的破坏模式分析

4.5.1 加载方向垂直于冰晶时的海冰单轴压缩破坏过程

4.5.2 加载方向平行于冰晶时的海冰单轴压缩破坏过程

4.6 平整冰破坏模式对单轴压缩强度的影响

4.6.1 应变率对海冰破坏模式的影响

4.6.2 海冰破坏模式对单轴压缩强度的影响

4.6.3 海冰破坏模式对等效弹性模量的影响

4.7 加载方向对海冰单轴压缩强度的影响

4.8 本章小结

5 重叠冰的单轴压缩强度试验研究

5.1 引言

5.2 重叠冰的试样制备及试验设计

5.2.1 重叠冰试样制备过程

5.2.2 重叠冰单轴压缩试样

5.3 重叠冰的单轴压缩试验

5.3.1 重叠冰单轴压缩试验中的应力-应变时程曲线

5.3.2 应变速率对重叠冰单轴压缩强度的影响

5.4 单轴压缩下平整冰与重叠冰的破坏模式对比

5.4.1 韧性破坏模式分析

5.4.2 韧-脆转化破坏模式分析

5.4.3 脆性破坏模式分析

5.4.4 韧-脆转变中的破坏过程及破坏模式对比分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈晓东

导师: 季顺迎,Knut Hφyland

关键词: 平整冰,重叠冰,瞬态热传递,热交换,冰晶结构,单轴压缩强度,韧脆转化

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 大连理工大学

分类号: P731.15

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.004313

总页数: 173

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