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1、博士学位论文湖冰微结构及其对热、力学参数影响的研究S t u d yO HL a k eI c eM i c r o s t r u c t u r ea n di t sE f f e c t sO i lT h e r m a la n dM e c h a n i c a lP a r a m e t e r s学l1 0 0 6 0 4 2完成日期：大连理工大学D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中
2、已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：泌逃邀结掏丛甚怼垫：左堂叁数髭喧数班究作者 签名二如唑卜日期：单年土月日大连理工大学博士学位论文摘要季节性冰盖的生消是我国北方地表水体的重要现象之一，如江河、湖泊、水库等。静态水体生长的湖泊冰盖对水体环境和工程设施可产生以下影响：一是冰盖几乎切断了大气水体物质交换和削弱了其间的能量交换，改变了水体生态环境。例如，冰层切断了气水气体交换可引起水体
3、缺氧；冰层的透光性质和热传导性质控制着冰下水体的光、热结构，影响到水生生物和微生物的活动强度。二是受岸坡和水工结构物的限制，冰层温度改变而伴生的热胀冷缩效应，可对水库坝体、护坡、水工建筑物等施加挤压、剪切等荷载，甚至造成破坏。所以，研究冰自身的基本物理性质和热学、力学参数对于冰区环境和工程都具有重要意义。本文连续多个冬季对湖冰开展了现场调查和室内试验，来揭示湖冰生消过程和物理微结构特征，测定湖冰导热系数、剪切和弯曲强度，并探索湖冰微结构对冰热学、力学参数的影响规律和机理。首先，湖冰生消过程和微结构观测结果表明，( 1 ) 东北高纬度和青藏高原高海拔热融湖湖冰过程是当地气象过程的结果，融化期的东
4、北平原湖冰和整个冰期高原湖冰存在明显的冰面升华和融化现象。( 2 ) 天然湖冰基本由表层颗粒晶体冰( P 1 或P 3 型) 和中下部柱状晶体冰( S 1 或S 2 型) 构成，颗粒冰厚度一般不多于最大冰厚的4 0 。湖冰内气泡特征较为复杂，基本形态可分为圆球型、细圆柱型、线粒型和脊椎型，区域差异显著。青藏高原湖冰内气泡尺寸和含量明显高于前人报告的关于淡水湖冰气泡含量。( 3 ) 湖冰晶体类型、尺寸不随冻结时间变化，冰内气泡随冰厚的增加先后出现圆球状气泡区、“洁净的冰”区、细圆柱气泡区，融化期开始后冰内气泡扩张、贯通，含量和尺寸增大；湖冰晶体构成和气泡特征存在年差异，主要受当年水文、气象条件控
5、制。( 4 ) 建立了湖冰晶体和气泡参数与生长速率的关系。( 5 ) 对比分析淡水湖冰、渤海海冰、夏季北极海冰微结构异同，证实冰内孑L 隙的形成位置与冰晶体边界分布并不存在明显关系。其次，开展高纬度和高海拔湖冰导热系数测定工作，分析湖冰微结构对导热系数的影响规律。( 1 ) 湖冰晶体类型和尺寸对导热系数影响较弱，柱状冰水平向导热系数比竖直向略低( 约5 ) 。东北高纬度湖冰气泡含量低( IjJ -国 _ 羁女， ，颗粒冰i颗粒冰颗| t 冰l 。L 7帮嫩册-：，：L !挂状冰托状冰b|+ 水甲学热系数 一悭向导热系数一计算l l ：i图4 4 红旗泡湖冰导热系数与其气泡和密度的关系F i g
6、 4 4n l er e l a t i o n s h i po ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fH o n g q iP a oR e s e r v o i ri c ew i t hi t sg a si n c l u s i o na n di c ed e n s i t y鉴于红旗泡湖冰冰内未冻水含量非常少( 湖水总溶解固体量T D S 约为1 2 7m g L ) ，其可以看做为两相( 气固) 两组分( 空气纯冰) 物质。换言之，也就是该湖冰由连续湖冰微结构及其对冰热、力学参数影响的研究相( 固体纯冰，相I ) 和随机分布的非连
7、续分散相( 气泡，相I I ) 构成的复合系统。H a m i l t o n和C r o s s e r 提出了一种计算该系统导热系数的方程【1 “l ： K：墨IK：+(n-OX,-(n-1)V2(K,-1,：2)I(形坍-K1)【K 2 + ( 胛一1 ) 墨+ K ( K 一心)j。r 42 、式中，K 和y 分别代表导热系数和体积含量，下标I 和2 分别代表相I 和相I I ，栉是一个试验常数，其受分散粒( 相I I ) 的形状和两相物质导热系数的比值决定。对于球形分散粒，刀= 3 。图4 3 a 显示出该冰样内气泡形状基本为球形或者近球形，故其导热系数计算公式可写为：K ：K I
8、垒垡二型生型l 州K )1 lK 2 + 2 K + K ( K 一) j、7r 43 、纯冰和空气的导热系数取做2 2 2W ( mK ) 和0 0 2 3w ( mK ) ( 1 0 0 C 时) ，带入上式，则得气 K = 4 4 4 ( 二一1 )f 形埘一K q ) 2 + ( 4 4 ) 将冰样内气泡含量带入上式，则可计算出湖冰的导热系数计算值，如图4 4 。可见该湖冰导熟系数理论值与实测值十分接近。随着冰厚的增加，气泡含量和气泡尺寸都呈现较小趋势，但是冰样导热系数增大趋势并不十分明显。这主要是因为红旗泡湖冰内气泡含量很小( 不足3 ) ，气泡含量和密度变化很小不足以对导热系数造成
9、显著的影响。4 4 2多孔介质导热系数的计算模型第3 章关于青藏高原北麓河盆地热融湖湖冰的物理微结构分析结果表明，该区热融湖塘湖冰内气泡含量差异较大，远超出一般平原地区湖冰气泡含量范围。同时，热融湖冰内气泡形态、结构复杂，极为有利于我们检验现行多孔材料导热系数计算模型的适用性、扩展其适用范围和进一步探索湖冰天然气泡结构多导热系数的影响。因北麓河地区湖冰气泡含量较多、尺寸较大，其可视为天然两质( 冰和空气或天然气) 两相( 固态和气态) 多孔材料。该多孔材料的导热系数取决于其自身的结构、组成、气泡含量、密度以及各组分各自的导热性能，还可能与其孔隙的形状和尺寸有关。前人研究发展了多种用于计算多孔介
10、质导热系数的基本模型，如混合方法( M i x i n gL a wM o d e l ) 、经验模型和理论模型，然而，并不存在某一个简单的模型计算公式适用于估算所有结构类型的导热系数【1 4 5 1 。对于具有一些简单的物理结构形式的多空介质，其导热系数则可通过已有的基本结构模型来估算，这些基本结构模型被列于表4 1 中。笼统来说，并联模型( P a r a l l e lm o d e l )大连理工大学博士学位论文和串联模型( S e r i e sm o d e l ) 的结构形式分别为假设材料的两相同时平行和垂直于热传导方向，其计算值分别给出的是该两相材料的导热系数的上下边界；M a
11、 x w e l l - E u c k e nI 和M a x w e l l E u c k e nI I 模型分别假设小圆球形分散粒均匀分布于另一种连续物质内，因此其分别给出了导热系数更窄的上下边界，其实质是各向同性两相物质的导热系数边界 6 3 , 6 4 】：有效介质模型( E f f e c t i v em e d i am o d e l ) 和互连续模型( C o - c o n t i n u o u sm o d e l ) 分别假设构成材料的两相物质相互分散和互相连续，其将由M a x w e l l E u c k e nI 和M a x w e l l E u c
12、k e nI I 模型定义的导热系数范围划分为4 个分区，分别对应不同的结构形式。然而，这些基本模型很难应用到结构较为复杂的材料的导热系数的计算。这样，一些替代模型也相继发展起来，包括通过改进上述简单模型而形成的经验和半经验模型 6 1 , 6 5 】，通过有限元和有限差分方法来数值计算已知确定结构材料的导热系数【6 6 ，6 。但是，解析模型物理含义明确、计算便捷、甚至对不确定结构形式材料的导热系数计算精度也比较理想，优于数值计算方法。湖冰徽结构及其对冰热、力学参数影响的研究表4 1两相多孔介质导热系数的基本模型T a b4 - 1B a s i c m o d e l s f o r c
13、a l c u l a t i n g t h ee f f e c t i v e t h e r m a lc o n d u c t i v i t y o f p o r o u s m e d i a丈连理工大学博士学位论文4 , 3 节指出，湖冰水平导热系数和竖向导热系数差别不足5 ，因此可以忽略传热方向造成的导热系数差异。另外，将每一个冰样在所有温度下的导热系数数值求平均和方差，以消除温度不同引起的导热系数差异，并绘制于图45 中。同时将基于表4 1 中各理论模型计算出的各冰试样的导热系数理论值也绘制其中，这其中也包括一个被广泛使用、精度也很理想的经验计算公式一指数模型( E x
14、 p o n e m m o d e l ) 。我们可虬清晰地看出，随着湖冰气泡孔隙率的增加，潮冰导热系数持续降低；竖向导热系数略大于水平导热系数的差别也更加明显的显现出来。湖冰导热系数实测值全部位于M a x w e l l E u c k e nI 和M a x w e l l - E u c k e nI I 模型的计算边界内。在气泡含量小于6 时指数模型的预测值与实测值吻合较好；当超过6 时，实测值大于指数模型预测值，且逐渐逼近于上边界。可以说，由于天然高原湖冰冰内气泡结构极为复杂，单一的基本模型和经验公式的计算很难满足理想的精度，这就需要我们更为深入的探讨。： 型E￥ 蠹 垛；! 量
15、o481 2】6气泡含量图45 湖冰导热系数与气泡含量的关系F i g 4 5T h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f l a k e i c ea sa f u n c t i o n o f g a s c o n t e n t4 43 高原高海拔湖冰气泡形态统计特征为深入探索青藏高原北麓河盆地湖冰气泡结构对导热系数的影响，我们首先来统计分析其几何形态特，征。图4 6 中湖冰试样的C T 扫描图揭示出B L H - B 湖塘冰内气泡形湖抹微结构及其对冰热、力学参数影响的研究状较为规则，气泡横截面基本为圆形、纵截面多为长轴竖直的长椭圆形；B L H A
16、 湖塘冰内气泡尺寸较大，且形态不规则。因此，大体上，可以划分为两类典型的气泡形态：( - - ) B L H - B 湖冰为竖向、不连续的短圆柱状气泡，和( 二) B L H A 湖冰为不规则气泡形态，且多数大气泡上下贯穿。这两类气泡几何参数的统计分布被绘制在图47 中，其中图a 、b 、c 为B L H A 湖冰，图d 、e 、f 为B L H B 湖冰。aB L H A 湖塘” bB L H - B 潮塘图4 6 北麓河盆地湖冰C T 扫描图F i g4 6C Ts c a n n i n g 啪a g e so f l a k ei c ei I lB e i l l l l l eB a s m图47 中，气泡长细比是指在每个气泡纵剖面的长轴( 图c 和f ) 与短轴的比值：直径是指气泡横剖面等效直径( 即与气泡面积相等的圆的直径) 。可以注意到，
