北极海冰复合结构内部传热和融化机理研究

In recent years, the large-scale melting of the Arctic sea ice has become the focus all over the world. With the measuring data obtained by myself in the Fourth Chinese National Arctic Research Expedition, a research is being carried out on the inner heat trasnfer and melting of mechanism of composite structure of sea ice of the Artic Ocean. The research includes:(1) With the samples of Arctic sea ice core obtained in the research expedition and the experimental device designed by our own laboratory independently, the thermal conductivity of radial and axial directions were measured by the methods of direct measurement in site, and the differences of thermal transmission and melting of radial and axial directions were compared.(2) The dynamical-thermal coupling model was built with the boundary condition of measuring data from the research expedition, and with the analysis of computer numerical simulation, the responses of composite structure of sea ice in different thermal conditions were studied.(3) A more accurate experiment device would be designed to study the proportional relation between the heat transferred inside the sea ice and the heat used to melt it when the heat was conducted into the sea ice. On this basis, the rules of variation of internal thermal transmission and melting process would be summarized to reveal how the heat transferred inside and the mechanism of melting of the composite structure of the sea ice, which would lay an important and solid foundation for China's large-scale studies of mechanism of rapid melting of the Arctic sea ice.

近年来北极海冰的大规模融化成为了世界各国关注的焦点，本研究依托并结合本人亲自参加的中国第四次北极科学考察所获得的实测数据,开展北冰极海冰复合结构内部传热和融化机理研究。研究内容主要包括：（1）利用实地考察获取的海冰样品，采用自主研制的实验设备,通过现场直接测量的实验方法,测量海冰纵、横向的导热系数，比较其纵、横向结构上的传热和融化差异；（2）结合实地考察获取的实测数据作为边界条件，建立动力-热力耦合海冰模型，利用计算机数值模拟分析，研究海冰复合结构在不同热环境下的响应；（3）精心设计和构造一个实验装置和系统，详细研究在热量导入海冰的情况下，用于在海冰本体中传递的热量和用于融化海冰的热量之间的比例关系，在此基础上系统总结出海冰复合结构内部传热和融化关键过程的变化规律，最终深刻揭示北冰极海冰复合结构内部传热和融化机理，为我国大规模研究北极海冰快速融化机理奠定重要基础。

本项目以北极海冰为对象开展研究，核心内容是研究北极海冰的传热和融化机理的科学问题，围绕这个核心内容具体开展以下研究工作：1、通过完善自主研制的实验装置，研究现场测量海冰纵向、横向导热系数的方法。2、研究各种海冰微结构对导热系数的影响。3、建立符合实际的动力-热力耦合海冰模型，准确模拟海冰传热和融化的全过程。4、开展海冰传热和融化机理的研究，揭示其变化规律并应用于对气候变化的影响。在上述研究工作基础上，取得了相应的研究成果，并具有一定的科学意义，主要包括：1、对北极海冰三维温度场进行数值仿真和融化模拟，初步揭示了北极海冰在空气—海冰—海水耦合系统中的传热机理，了解了海冰在不同外界条件下热传导的规律。2、研究了北极海冰内部复合结构的传热机理，为揭示海冰变化过程中的热量传递、能量分配的机理提供依据，为解释近年来北极海冰的快速融化现象的研究提供可靠的参考。3、研究了传统材料的流固耦合换热特性，验证了数值模拟方法的可靠性，为进一步深入研究北极海冰与大气和海水的流固耦合传热奠定基础和指导思想。4、评价了北极航道通航的战略性意义，为船舶在北极地区航线的选择提供了指导意义。5、搭建了深冷实验室以及试制了海冰导热系数测量仪，为实验室内海冰物性参数的测定奠定了基础。6、参与了极地科学考察，实地采集海冰样本，收集第一手气候水文资料，有利于更准确地构建数值模拟仿真所需要的物性参数和边界条件。以此项目的研究成果为基础，2016年本人又成功地申请到国家自然科学基金项目“北极海冰耦合传热及其对冰体结构强度影响的机理研究”，该项目是前一项目的延伸和拓展，这两个项目既有区别又有紧密的相关和联系。