Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Неоднородное напряженное состояние морского льва

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора физико-математических наук, Сухоруков, Константин Константинович, Санкт-Петербург

шЛ- „ у/ *•? _ •>/ //^ -"-'""'1,-, /О

Федеральная Служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Государственный научный центр Российской Федерации АРКТИЧЕСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ (ГНЦРФ ДАНИИ)

УДК 551.326 на правах рукописи

Сухорукое Константин Константинович

НЕОДНОРОДНОЕ НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МОРСКОГО ЛЬДА

11.00.08. - Океанология

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1Т л V

, ' -Р. -.

■■■у / Ч.

№ » </У ¿-А-™

Т>

г Санкт-Йёт

■ .................../ ^"¿-г'С^ I

Т.- - У /

' л •/ г ы

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................

ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА АРКТИКИ И АНТАРКТИКИ В КОНТЕКСТЕ ЗАДАЧ ДИНАМИКИ ЛЬДА

1.1. Пространственно-временные особенности распространения и строения морских

ЛЬДОВ.............................................................................................................................................

1.2. Неоднородность физико-механических свойств морского льда...................................(6.

1.3. Динамическая структура морского ледяного покрова..................................................

1.4. Роль и место экспериментальных методов исследования в задачах динамики морского льда..............................................................................................................................

ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕОДНОРОДНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МОРСКОГО ЛЬДА

2.1. Аналитический обзор существующих методов и средств измерения внутренних напряжений морского льда.......................................................................................................?.?•

2.2. Основы теории взаимодействия датчиков напряжений со льдом...............................Ш

2.3. Приближенная теория плоского датчика........................................................................26

2.3.1. Постановка задачи.........................................................................................................

2.3.2. Точность измерения......................................................................................................%?.

2.3.3. Оценка коэффициентов концентрации.........................................................................Щ

2.3.4. Оценка влияния температуры.......................................................................................

2.3.5. Оценка остаточных и начальных напряжений.............................................................

2.3.6. Погрешность измерения и пути ее снижения..............................................................

2.4. Об измерении двумерного напряженного состояния морского льда..........................36.

2.5. Измерительный комплекс.................................................................................................

2.5.1. Конструкция и технические характеристики первичных датчиков............................

2.5.2. Многофункциональное автономное программно-аппаратное обеспечение..39

2.5.3. Калибровочные испытания...........................................................................................

2.6. Выводы.................................................................................................................................

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДРЕЙФУЮЩИХ ЛЕДЯНЫХ ПОЛЯХ АРКТИКИ И АНТАРКТИКИ

3.1. Микромасштабная неоднородность напряженного состояния морского льда..........

3.1.1. Методика и условия экспериментальных исследований.............................................

3.1.2. Области льда переменной толщины.............................................................................59

3.1.3. Области неизостатического равновесия льда..............................................................

3.1.4. Термоградиентные зоны ледяного покрова.................................................................Щ

3.1.5. Области разрывов льда.................................................................................................6].

3.2. Макромасштабная неоднородность напряженного состояния морского льда..........

3.2.1. Общая характеристика условий и методика экспериментов......................................ЬЗ

3.2.2. Результаты экспериментальных исследований...........................................................Б.5

3.3.Структура поля внутренних напряжений в ближней зоне силового взаимодействия..

3.3.1. Аппаратура и методика.................................................................................................?.Р.

3.3.2. Результаты экспериментов............................................................................................?<?

3.3.3. Обсуждение результатов...............................................................................................^

3.4. Структура внутренних ледовых напряжений в дальней зоне......................................М

3 ЙО

3.4.1. Сплошное ледяное поле...............................................................................................••••

3.4.2. Несплошной ледяной покров.......................................................................................Ш

3.5. Выводы.................................................................................................................................

ГЛАВА 4. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ

РЕЛАКСАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ МОРСКОГО ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА

4.1.Лабораторные исследования релаксации напряжений элементарных объемов льда й

4.2. Физическое моделирование процесса механической релаксации льда в масштабе полунатурных экспериментов..................................................................................................

4.3. Натурные исследования масштабных эффектов релаксации внутренних напряжений морского льда......................................................................................................

4.3.1. Время релаксации напряжений...................................................................................4$.

4.3.2. Скорость релаксации напряжений.............................................................................'РЛ

4.4. Обсуждение экспериментальных результатов..............................................................Ш.

ГЛАВА 5. ТЕРМОНАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МОРСКОГО ЛЬДА

5.1. Экспериментальные исследования влияния различных физических и

геометрических ограничений на термонапряженное состояние льда..............................Ш9.

5.1.1. Лабораторные опыты...................................................................................................(W.

5.1.2. Полунатурные исследования.......................................................................................№.

5.2. Напряженное состояние морского льда при локальном изменении его термического режима.........................................................................................................................................

5.2.1. Методика и результаты экспериментальных исследований.......................................¡1.9

5.2.2. Реологическая модель термонапряженного состояния льда......................................

5.2.3. Прогностическая модель термонапряженного состояния льда.................................

5.3. Масштабные эффекты термонапряженного состояния морского льда.....................

5.3.1. Структура поля внутренних термических напряжений..............................................(?L

5.3.2. Пространственно-временная связь термических и механических напряжений........№.

5.3.3. Расчет термических напряжений и их сопоставление с экспериментальными данными...................................................................................................................................

5.3.3.1. Термические напряжения в дрейфующих ледяных полях...................................'А'.

5.3.3.2. Термические подвижки и давление припайного льда........................................^

5.4. Выводы.................................................................................................................................Ш.

ГЛАВА 6. МАКРОСКОПИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МОРСКОГО ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА

6.1. Макроскопическое деформированное состояние морского льда................................

6.2. Макроскопическое напряженное состояние морского льда.........................................¡.6$.

6.3. Эмпирическая связь внутренние силы - деформация льда.........................................>6?.

6.3.1. Общий анализ связи полей внутренних напряжений и деформаций........................¡РЗ.

6.3.2. Двумерный физико-статистический анализ................................................................17к

6.3.3. Регрессионная связь....................................................................................................Ш

6.4.Эмпирические реологические модели морского льда..................................................М

6.4.1. Мезомасштабное напряженно-деформированное состояние ледяного покрова................................................................................................................................

6.4.2. Напряженно-деформированное состояние ледяного поля.......................................)М

6.5. Выводы................................................................................................................................)$?.

ГЛАВА 7. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МОРСКОГО ЛЬДА ПРИ РАЗРУШЕНИИ

7.1. Особенности процесса разрушения морских ледяных полей в контактной зоне при взаимодействии друг с другом или с препятствиями Ш

7.1.1. Режимы взаимодействия и структура активной зоны.................................................

7.1.2. Пространственно-временная структура предельных напряжений в контактной зоне..

7.1.3. Особенности контактных напряжений при смятии льда............................................¿о?

7.1.4. Общий характер взаимодействия ледяного поля неоднородной структуры с вертикальным сооружением..................................................................................................

7.2. Предельные квазистатические взаимодействия в системе стамуха-грунт-припай Я'.?.

7.2.1. Методика экспериментальных исследований.............................................................Ш

7.2.2. Особенности процесса силового взаимодействия стамухи с припаем......................Щ?.

7.2.3. Модель системы стамуха-припай...............................................................................

7.2.4. Модель системы стамуха-грунт и условия всплытия стамухи.................................Ш

7.2.5. Выводы.........................................................................................................................

7.3. Особенности напряженно-деформированного состояния дрейфующего льда при макроразрывах.........................................................................................................................

7.3.1. Локальный процесс разрушения ледяного поля........................................................

7.3.2. Глобальный механизм разрушения ледяного поля...................................................К^..

7.3.3. Предельное макроскопическое напряженное состояние морского ледяного покрова.

7.3.4. Качественная модель механического состояния морского льда при разрушении и критерий поврежденности....................................................................................................S.K.

7.3.5. Физическая, геометрическая и энергетическая интерпретации критерия поврежденности льда.............................................................................................................Й0..

7.4. Эволюция напряженно-деформированного состояния морского льда при разрушении................................................................................................................................

7.4.1. Напряженное состояние морского льда при макроразрывах характерного масштаба 0.1 км.......................................................................................................................................

7.4.2. Механизм формирования напряженного состояния морского льда при макроразрывах характерного масштаба 1км.........................................................Щ

7.4.3. Напряженное состояние морского льда в условиях активных динамических процессов в масштабе 10 км................................................................................................

7.4.4. Особенности деформированного состояния морского льда в условиях пространственной неоднородности дрейфа, соизмеримой с масштабом 100 км...........£53

7.4.5. Масштабная инвариантность процесса перестройки напряженно-деформированного состояния морского льда при разрушении.................................Щ

7.4.6. Выводы.......................................................................................................................

ГЛАВА 8. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННЫМ СОСТОЯНИЕМ МОРСКОГО ЛЬДА

8.1. Метод мониторинга напряженного состояния и поврежденности ледяного покрова..

8.2. Активные методы теплового воздействия на морской лед применительно к снижению его механической прочности...............................................................................

8.2.1. Распределенные тепловые источники........................................................................

8.2.2. Сосредоточенные источники тепла............................................................................

8.3. Новый метод пассивного воздействия на морской лед и управления его термонапряженным состоянием с помощью радиационно-конвективных экранов (РКЭ)

8.3.1. Обоснование выбора способа пассивного воздействия.............................................V.9.

8.3.2. Теоретические исследования.......................................................................................

8.3.2.1. Стационарная балансовая модель.......................................................................

8.3.2.2. Нестационарная модель.......................................................................................

8.3.3. Экспериментальные исследования и натурные испытания макета РКЭ...................^

8.3.4. Практическое использование РКЭ..............................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................Ш

ЛИТЕРАТУРА

286

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития мировой и отечественной экономики неразрывно связан с усилением деятельности человека в арктических и антарктических районах. В связи с этим возросли потребности в более полном понимании механических процессов, происходящих в морском ледяном покрове при его деформировании и разрушении. Приоритетными остаются направления исследований по физике и механики морского льда, направленные, в первую очередь, на решение практических задач, связанных с необходимостью обеспечения судоходства в особо трудных условиях плавания в замерзающих полярных акваториях, а также защиты гидротехнических, портовых и морских газо- и нефтепромысловых сооружений от давления льда.

Морской ледяной покров представляет собой гетерогенную структурно-неоднородную среду, в которой под нагрузкой развиваются сложные и многообразные механизмы деформации, что делает задачу их математического описания в явном виде чрезвычайно трудной. С одной стороны, для адекватного описания механического поведения морского льда необходимо рассматривать однородные и стационарные поля напряжений и деформаций. В этом случае упругие параметры льда, а также действующие на ледяной покров внешние и внутренние силы, представляют собой некие интегральные (осредненные по пространству и времени) характеристики. С другой, в условиях неоднородного напряженно-деформированного состояния, развитие динамических процессов в морском ледяном покрове в значительной степени определяется преимущественным влиянием локальных свойств и параметров.

Условно можно выделить два основных направления развития механики ледяного покрова, связанных с исследованием различных масштабов деформируемого морского льда. Микромасштабный уровень является предметом физики и механики льда как материала. Здесь изучение физико-механических свойств льда, разработка механических моделей и определяющих соотношений, описывающих деформирование и разрушение льда, базируется на результатах теоретических и экспериментальных исследований малых объемов, характерный размер которых не превышает толщины ледяного покрова. Макромасштабный уровень предполагает изучение закономерностей механического поведения больших масс льда (ледяное поле, системы ледяных полей и их обломков, айсберги) с учетом их взаимодействия между собой, а также с атмосферой и океаном.

Первое направление исследований традиционно являлось определяющим и поэтому достаточно разработано. Существенный вклад в эту работу внесли отечественные и зарубежные исследователи А.Ассур, В.В.Богородский, К.Ф.Войтковский, С.С.Вялов, В.П.Гаврило, Дж.У.Глен, Л.У.Голд, К.Н.Коржавин, В.В.Лавров, М.Мэллор, В.А.Никитин, Э.Паундер, И.С.Песчанский, Б.А.Савельев, У.Уикс, Р.Фредеркинг и др. Высокая степень изученности физико-механических характеристик морского льда в зависимости от кристаллической структуры, температуры, солености и других параметров позволяет уже в настоящее время прогнозировать его деформационные и прочностные свойства на основе гидрометеорологических данных.

Однако, в реальных условиях морской лед отличается большой изменчивостью строения и физических свойств, поэтому даже наиболее совершенные расчетные соотношения, полученные путем обобщения результатов механического испытания малых образцов льда, не позволяют учесть все многообразие особенностей формирования ледяного покрова в геофизическом масштабе. Морской ледяной покров, как совокупность разнородных областей различного масштаба, представляет собой механически неравновесную систему, в которой каждый элемент непрерывно получает и диссипирует механическую энергию. Вследствие этого, при рассмотрении малых объемов льда отдельно от массива, не учитываются очень важные процессы взаимодействия, связанные с обменом механической энергией с окружающим льдом.

С точки зрения современных представлений самой сложной проблемой динамики морского ледяного покрова является описание процессов взаимодействия и разрушения ледяных полей. Для определения напряжений и деформаций морского льда используются преимущественно механические аналогии между ледяным покровом и различными средами с заданными реологическими характеристиками и законами деформирования. До сих пор наиболее часто используемыми российскими и американскими учеными моделями ледяного покрова являются модели механики сплошной среды, справедливые в основном для оценки интегральных свойств поведения макронеоднородного ледяного покрова. В качестве определяющих соотношений в них используются модели Ньютона, Гука, Максвелла и др., существенно упрощающих реальную реологию ледяного покрова. Основные концепции феноменологического моделирования динамики морского ледяного покрова сформулированы и развиты И.Л.Аппелем, Р.В.Гольдштейном, З.М.Гудковичем, С.А.Колесовым, М.Куном, А.В.Марченко, Е.Г.Никифоровым, С.Н.Овсиенко, Л.А.Тимоховым, И.Е.Фроловым, Д.Е.Хейсиным, У.Хиблером и др.

Континуальное представление механического состояния морского ледяного покрова без учета его внутренней структуры и реальных механизмов деформации не соответствует истинной природе динамических процессов в�