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A viscoelastic-plastic constitutive model with Mohr-Coulomb yielding criterion for sea ice dynamics

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Acta Oceanologica Sinica 2005年第4期24卷 54-65页

作者： JI Shunying shen hung tao WANG Zhilian shen H Hayley YUE Qianjin State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment Dalian University of Technology Dalian 116023 China Department of Civil and Environmental Engineering Clarkson University Potsdam New York 13699-5710 USA

A new viscoelastic-plastic （VEP） constitutive model for sea ice dynamics was developed based on continuum mechanics. This model consists of four components： Kelvin-Vogit viscoelastic model, Mohr-Coulomb yielding criterion, associated normality flow rule for plastic rehololgy, and hydrostatic pressure. The numerical simulations for ice motion in an idealized rectangular basin were made using smoothed particle hydrodynamics （SPH） method, and compared with the analytical solution as well as those based on the modified viscous plastic（VP） model and static ice jam theory. These simulations show that the new VEP model can simulate ice dynamics accurately. The new constitutive model was further applied to simulate ice dynamics of the Bohai Sea and compared with the traditional VP, and modified VP models. The results of the VEP model are compared better with the satellite remote images, and the simulated ice conditions in the JZ20-2 oil platform area were more reasonable.

关键词： sea ice dynamics constitutive model viscous plasticity viscoelastic-plastic model Molar-Coulomb criterion

A hybrid Lagrangian-Eulerian numerical model for sea-ice dynamics

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Acta Oceanologica Sinica 2007年第5期26卷 12-24页

作者： JI Shunying LI Hai shen hung tao WANG Ruixue YUE Qianjin State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment Dalian University of Technology Dalian 116024 China National Marine Environment Forecast Center Beijing 100081 China Department of Civil and Environmental Engineering Clarkson University New York 13699-5710 USA

A hybrid Lagrangian - Eulerian （HLE） method is developed for sea ice dynamics, which combines the high computational efficiency of finite difference method （FDM） with the high numerical accuracy of smoothed particle hydrodynamics （SPH）. In this HLE model, the sea ice cover is represented by a group of Lagrangian ice particles with their own thicknesses and concentrations. These ice variables are interpolated to the Eularian gird nodes using the Gaussian interpolation function. The FDM is used to determine the ice velocities at Eulerian grid nodes, and the velocities of Lagrangian ice particles are interpolated from these grid velocities with the Gaussian function also. The thicknesses and concentrations of ice particles are determined based on their new locations. With the HLE numerical model, the ice ridging process in a rectangular basin is simulated, and the simulated results are validated with the analytical solution. This method is also applied to the simulation of sea ice dynamics in a vortex wind field. At last, this HLE model is applied to the Bohai Sea, and the simulated concentration, thickness and velocity match the satellite images and the field observed data well.

关键词： hybrid Lagrangian - Eulerian model sea-ice dynamics numerical model

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冰塞渗流阻力特性的实验研究

水利学报 2021年第8期52卷 959-968页

作者：赵水霞 shen hung tao 水利部牧区水利科学研究所流域水循环模拟与调控国家重点实验室内蒙古呼和浩特010020 美国Clarkson大学土木与环境工程系波兹坦纽约13699-5710

冰塞引起的上下游水位变化与内部水流阻力有关,其堆积演变形成的固液多孔介质中存在渗流问题,且渗流阻力对上下游水头压力具有一定影响。本研究基于实验室冰水力学模型实验,通过设定不同的水力条件,获取不同冰塞剖面形状及沿冰塞剖面累... 详细信息

冰塞引起的上下游水位变化与内部水流阻力有关,其堆积演变形成的固液多孔介质中存在渗流问题,且渗流阻力对上下游水头压力具有一定影响。本研究基于实验室冰水力学模型实验,通过设定不同的水力条件,获取不同冰塞剖面形状及沿冰塞剖面累积方向冰盖下流速分布,采用非达西渗流理论对冰塞内渗流阻力进行率定,获得了渗流阻力能量损失的变化特征。结果表明,渗流阻力能量损失占总能量损失的比例为11%~21%,冰厚较大位置可达到42%,沿冰塞累积方向,渗流能量损失占比与冰厚和水深之比呈典型的正相关。渗流流量为河道内重要的槽蓄水量,孔隙率在0.39~0.51之间,冰厚与水深之比在0.6~1.4之间时,渗流流量占总流量的9%~26%。渗流流量的变化受孔隙率、冰塞结构及水力特征等共同影响,冰颗粒均匀且随机堆积情况下,冰塞厚度越厚,冰体排列越紧密,孔隙率和渗流系数越小,流体通过多孔介质的比表面积越大,渗流能量损失也越多。本研究进一步明晰了冰塞阻力机理及渗流阻力在冰塞中的重要性,为受凌汛灾害困扰流域解决实际问题提供理论科学依据。

关键词：冰塞水流阻力非达西渗流能量损失试验研究

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弯道取水口河冰运动特性及导冰筏优化设置

水科学进展 2014年第2期25卷 233-238页

作者：李超李畅游 shen hung tao 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院内蒙古呼和浩特010018 Clarkson University PotsdamNew York 13699-5710USA

采用DynaRICE二维河冰模型模拟弯道及其取水口附近的水面冰运动和堆积过程,探讨弯道取水口导冰筏的优化设计。该模型耦合了水动力方程和冰动力方程,分别采用有限元法和光滑粒子流体动力学法对水动力方程和冰动力方程进行求解。模拟得到... 详细信息

采用DynaRICE二维河冰模型模拟弯道及其取水口附近的水面冰运动和堆积过程,探讨弯道取水口导冰筏的优化设计。该模型耦合了水动力方程和冰动力方程,分别采用有限元法和光滑粒子流体动力学法对水动力方程和冰动力方程进行求解。模拟得到弯道取水口处水流水力特性、不同角度导冰筏下河冰运动规律及其受力情况。结果表明河冰靠弯道凹岸一侧运动,并在取水口附近及其下游堆积,横向环流对河冰运动影响可忽略,取水口上游设置角度和长度合理的导冰筏可有效阻止河冰进入引水渠。但是,下游也需设置导冰筏来防止河冰在取水口下游堆积及向上游延伸到取水口。

关键词：弯道取水口河冰模型横向环流导冰筏

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河流水冰沙耦合模型研究Ⅱ:验证与应用

水利学报 2021年第7期52卷 841-849,861页

作者：潘佳佳 hung tao shen 郭新蕾流域水循环模拟与调控国家重点实验室中国水利水电科学研究院北京100038 Department of Civil and Environmental Engineering Clarkson UniversityPotsdamNY 13699-5710

北方河流冬季河冰运动会带来凌汛灾害威胁,研究流凌运动对水流、泥沙和河道的影响具有重要工程意义。本文在平面二维河冰动力学模型基础上,建立二维水冰沙耦合数值模型。基于三角形的非结构网格,采用具有迎风特性的Petrov-Galerkin型有... 详细信息

北方河流冬季河冰运动会带来凌汛灾害威胁,研究流凌运动对水流、泥沙和河道的影响具有重要工程意义。本文在平面二维河冰动力学模型基础上,建立二维水冰沙耦合数值模型。基于三角形的非结构网格,采用具有迎风特性的Petrov-Galerkin型有限元法计算非恒定水流过程、非恒定非均匀沙输运和河床冲淤变化,利用无网格的SPH法计算河冰运动,基于河冰对岸滩的刮擦切应力计算岸坡侵蚀,再利用双泥沙休止角法分析不同含水层岸坡的稳定坡面。该模型创新性地耦合水沙理论和河冰理论,能模拟北方河流全季节及河冰全过程的水位流量波动、河冰运动、泥沙输移、河床冲淤及岸滩崩塌过程。通过实验条件下溃坝引起的岸坡崩塌侵蚀验证了模型的准确性和可靠性,研究结果显示该模型能再现水流、河冰、泥沙、河床及河岸间的复杂耦合作用,揭示河冰刮擦对岸滩侵蚀破坏的促进机理,可进一步支撑冬季河道防凌减灾和岸滩水土保持研究。

关键词：河冰运动岸滩侵蚀水冰沙耦合泥沙休止角北方河流

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河流水冰沙耦合模型研究Ⅰ:原理和方法

水利学报 2021年第6期52卷 700-711页

作者：潘佳佳 hung tao shen 郭新蕾王涛流域水循环模拟与调控国家重点实验室中国水利水电科学研究院北京100038 Department of Civil and Environmental Engineering Clarkson UniversityPotsdamNY 13699-5710

河流水沙研究一般忽略冬季河冰对泥沙输运、河床侵蚀和岸滩崩塌的影响,但北方河流如黄河等冬季冰期的防凌减灾和河道的演变均不能忽略河冰过程,亟需研究河冰全过程影响下的水冰沙耦合作用机理。本文首先总结了河冰水力学的理论发展,针... 详细信息

河流水沙研究一般忽略冬季河冰对泥沙输运、河床侵蚀和岸滩崩塌的影响,但北方河流如黄河等冬季冰期的防凌减灾和河道的演变均不能忽略河冰过程,亟需研究河冰全过程影响下的水冰沙耦合作用机理。本文首先总结了河冰水力学的理论发展,针对北方河流建立了二维水冰沙耦合数学模型,包括二维水沙数值模块、河冰动力学模块和岸滩侵蚀模块,并介绍了该耦合模型的求解步骤和方法。研究表明:通过三个模块间的信息传递和数据反馈,该数学模型具备模拟冰塞冰坝等极端工况下的水流变化、河冰堆积和释放、泥沙运动、河床冲淤和岸滩侵蚀等过程的能力。该模型将水沙理论和河冰理论结合起来,可用于北方河流全季节与河冰生消全过程的水冰沙耦合过程模拟,为北方河流管理提供了有力工具。

关键词：水冰沙耦合北方河流水沙运动河冰动力学岸滩崩塌

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乌梁素海湖泊冰生长过程中总氮的迁移规律

水科学进展 2013年第5期24卷 728-735页

作者：张岩李畅游 shen hung tao 史小红乔玲敏烟台大学土木工程学院山东烟台264005 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院内蒙古呼和浩特010018 Department of Civil and Environmental Engineering Clarkson UniversityPotsdam New York 13699-5710USA

为研究湖泊冰封期总氮的污染特征，测定了冰厚分别为0cm、2．5cm、9．5cm、21cm、31cm、41cm、50cm和59am时总氮在冰体和水体中的垂向分布，阐明湖泊冰生长过程中总氮在冰-水-沉积物体系的迁移规律。结果表明：冰生长过程中总氮由冰体... 详细信息

为研究湖泊冰封期总氮的污染特征，测定了冰厚分别为0cm、2．5cm、9．5cm、21cm、31cm、41cm、50cm和59am时总氮在冰体和水体中的垂向分布，阐明湖泊冰生长过程中总氮在冰-水-沉积物体系的迁移规律。结果表明：冰生长过程中总氮由冰体向冰下水体迁移，水体的总氮含量随着冰厚的增加而升高，冰厚为59cm时其含量为冰体的2．85倍，冰生长速率决定总氮在冰一水界面处的迁移通量；总氮在冰层内的迁移主要发生在冰体形成初期（0～21cm），之后几乎不再迁移而与冰内气泡融合并转化为独立于冰体的稳定氮胞；冰下水体总氮的实测值小于其计算值，表明冰生长过程中总氮由水体向沉积物迁移。

关键词：总氮迁移规律冰生长速率冰生长过程乌梁素海湖泊

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融冰过程中铁离子和锰离子的迁移规律

中国环境科学 2021年第5期41卷 2391-2398页

作者：张岩任方云唐元庆赵万里赵同国刘同帅刘玉灿 shen hung tao 烟台大学土木工程学院山东烟台264005 克拉克森大学土木与环境工程系美国波茨坦13699-5710

为探究融冰过程中重金属离子的迁移规律,选择铁离子和锰离子为研究对象,开展了室内模拟融冰实验,探讨其在融冰过程中的迁移规律,并分析初始浓度和冷冻温度对其迁移过程的影响.结果表明:在不同的初始浓度和冷冻温度条件下,铁离子和锰离... 详细信息

为探究融冰过程中重金属离子的迁移规律,选择铁离子和锰离子为研究对象,开展了室内模拟融冰实验,探讨其在融冰过程中的迁移规律,并分析初始浓度和冷冻温度对其迁移过程的影响.结果表明:在不同的初始浓度和冷冻温度条件下,铁离子和锰离子在冰中各层的浓度分布关系皆为:中层<上层<下层;融冰过程中,51.17%~71.67%的铁离子和锰离子均在冰体融化前期(0~25%)集中释放,中后期相对平稳均匀释放,此外初始浓度对冰融化时铁离子和锰离子的迁移规律影响不大,而冷冻温度较低时,融1中铁离子和锰离子的浓度基本在增加;融冰过程中,随着累积融水体积的增加,融水中铁离子和锰离子的浓度与冰体初始浓度之比逐渐降低,它们之间呈指数函数衰减模式.

关键词：融冰铁离子锰离子迁移规律

Estimation of Chloride Diffusivity in Hydrated Tricalcium Silicate Using a Hydration-Diffusion Integrated Method

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Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science) 2025年第1期40卷 49-64页

作者： WANG Xin shen Dejian tao Sijie LIU Ruixin WU shengxing College of Civil and Transportation Engineering Hohai UniversityNanjing 210098China

This study aims to develop a chloride diffusion simulation method that considers the hydration microstructure and pore solution properties during the hydration of tricalcium silicate(C3S).The method combines the hydration simulation,thermodynamic calculation,and finite element analysis to examine the effects of pore solution,including effect of electrochemical potential,effect of chemical activity,and effect of mechanical interactions between ions,on the chloride effective diffusion coefficient of hydrated C3S *** results indicate that the effect of electrochemical potential on chloride diffusion becomes stronger with increasing hydration age due to the increase in the content of hydrated calcium silicate;as the hydration age increases,the effect of chemical activity on chloride diffusion weakens when the number of diffusible elements decreases;the effect of mechanical interactions between ions on chloride diffusion decreases with the increase of hydration age.

关键词： tricalcium silicate simulation method chloride diffusion coefficient pore solution