在 COMSOL Multiphysics® 中模拟冰流

2018年 2月 8日

在 2013 年的一份报告中,政府间气候变化专门委员会指出,地球的冰冻圈是“气候变化的自然整合者,提供了一些最明显的气候变化特征。”(参考文献 1冰冻圈 是气候系统的一部分,包含冷冻水,占淡水的 80%。使用 COMSOL Multiphysics® 软件,我们可以模拟经典冰流动,分析冰冻圈动态,评估气候变化的影响,比如海平面上升。

高山冰川的寿命

1773 年,瑞士博物学家 André Bordier 首次用“流体”一词来描述高山冰川的运动。然而,科研人员花了一个多世纪才就冰川动态的统一描述达成一致。

冰川最令人困惑的一个方面是观察到冰表现出粘性和塑性,具体取决于冰川。英国物理学家 John Glen 利用应力和应变之间的非线性关系观察并描述了这种中间特性。这种经典特性称为剪切稀化,适用于许多不同的流体(如番茄酱和血液)。

任何高山冰川的寿命都可以示意性地描述如下:

  1. 雪堆积在气温较低的高海拔地区,并压缩成冰
  2. 冰在自重下开始变形并沿斜坡流下
  3. 冰在气温较高的低海拔地区融化

简单的山谷冰川图,其中标明了堆积区和融化区。
典型高山冰川的示意图。

因此,即使在稳定状态下(降雪刚好抵消了融化),冰也有一个动态过程:蠕变。这个流体模型是一个标准的纳维-斯托克斯方程,它有一个简化形式:斯托克斯(低雷诺数)近似,其中忽略了平流项。雷诺数的典型值是 Re = 10-15,因此这一假设无疑是成立的。

格伦流动定律

粘性流动的仿真通常假设应力和应变之间呈线性关系,这个假设描述了牛顿流体。实际上,许多流体在标准条件下是牛顿流体(例如,水和空气)。然而,许多流体在剪切时表现出粘度的变化。一种较为普遍的方法是使用本构定律来描述粘度 \mu随剪切速率的某个幂变化的情况。从数学上讲,\mu = \frac{1}{2}A^{-\frac{1}{n}}\dot{\gamma}^{n-1},其中\dot{\gamma}是剪切速率,经典定义为应变率张量 D(u)=\frac
{1}{2}\left(\nabla u + \nabla u^T\right)
的模。

阅读这两篇博客文章,了解有关非牛顿流体番茄酱的非牛顿特性的更多详细信息。

要完全定义流动定律,需要评估两个参数:

  1. 一致性, m=\frac{1} {2}A^{-1/n}
  2. 应力指数,n

对于冰,通常取 n=\frac{1} {3}。然而,冰的粘度不仅取决于剪切速率,还取决于温度和压力。于是我们定义一致性来表示这些依赖关系。定义冰模型一致性的经典方法是使用阿累尼乌斯定律(参考文献 1):A(T^
{\prime},p)=A_0e^{-Q/RT^{\prime}},
其中 是理想气体常数,T’ 是相对于压力熔点的温度。

实际上,压力依赖性反映在冰的熔点随压力的变化上(随着压力的增加而降低)。利用克劳修斯-克拉佩龙关系,我们得到 T^{prime}=T+\beta p,其中 \beta=9.8\times 10^{-8} K Pa^{-1} 是克拉佩龙常数。A和 的值目前存在争议。(参考文献 2

粘性滑动

这种简明的流动定律是多年来通过严格的实验室工作凭经验得出的,它无法预测在现实冰川上观测到的高速度。人们花了很多年才明白原因到底在哪里。20 世纪 50 年代后期,J. Weertman 提出了基底滑动 的概念,并在业内形成共识。

在方程层面,基于分子相互作用的考虑,冰川的基底滑动定律与 H. Navier 一个世纪前提出的粘性滑动 概念没有什么不同。然而,对于冰流动而言,这个定律背后的物理过程仍然是一个争论性问题,并不是这篇文章的主题。我们回想一下,它写为 u_t=\frac{L_s} {\mu}\tau_{nt},其中 u是基底速度;\mu 是粘度(这里是非线性的);\tau_{nt} 基底牵引力,或基岩的剪切应力;Ls 被称为滑移长度参考文献 2 ),这个量在冰川流动建模中至关重要,这是因为它占下游质量通量的很大一部分,积少成多就产生流动运动,并且表现出类似于刚性运动的特性。

冰流动建模:现实示例

Mer de Glace,翻译为“冰海”,是一座高山冰川,位于夏蒙尼山谷上方法国阿尔卑斯山的勃朗峰地块。它被认为是法国最大的冰川,因其山谷冰川具有相当大的移动速度(每年约 100 米),而且在过去 80 年里它的体积显著减小,因此被广泛观察和监测。研究表明,该冰川平均每年损失 5 米厚,30 米长。

下图(右)是山谷冰川的几何图形,是使用 COMSOL Multiphysics 和 CAD 几何内核(可从 CAD 导入模块获得)建立的。几何图形大致模拟了冰海冰川(左)的测量和视觉效果。
冰海冰川照片和山谷冰川的模型几何结构。
左:1909 年冰海冰川的航拍照片。图片来自公共领域,通过 Wikimedia Commons 分享。(作者添加的注释。)右:模型几何结构,按厚度着色。

我们来模拟冰块在自重和基底滑动作用下沿坡流下的非等温流动。

就流体而言,流入和流出边界条件是正常约束,对应于冰的外加压力,冰不包含在域中,它仅仅对应于指定的流体静压(或冰静压)。上游边界压在域上,因此有助于加快流向速度,而下游边界阻碍流动。冰川表面是自由表面。

就传热而言,表面被认为处于环境温度。与基岩接触的边界通常受到地热热通量的影响,地热热通量可以被模拟为边界条件。然而,由于这样的值在空间上是变化的并且通常是未知的,因此在本例中施加了温度。这样,我们确保冰保持在 0°C 以下,从而避免相变和潜热通量的贡献。值得注意的是,可以使用具有相变接口的材料 来分析这个方面。热量可以在流入边界和流出边界进入和离开域。

使用与几何结构的纵横比一致的拉伸网格。

外部天气条件是地球物理仿真的重要输入数据。通过“传热”接口直接访问 ASHRAE 2017 数据库,我们可以在全球超过 6000 个气象站输入一年中给定时间的平均外部温度和风速。这里,我们使用的数据来自瑞士阿尔卑斯山的圣伯纳德 站,该站距离冰海冰川 16 公里,位于 2 月 1 日中午的同一高度。环境温度施加在冰川表面,风速用于模拟表面的对流热通量。

仿真结果和讨论

首先,我们在没有基底滑动的情况下运行仿真,看看粘性流动对观测到的冰川速度有多大影响。预计结果是冰川顶部每年约 120 米,冰川末端每年约 90 米。
冰川冰流动的 COMSOL 仿真。
正如我们在图的左侧所看到的,仅仅根据此处描述的粘性定律,我们只能得到预期速度的 50%。

我们可以引入滑移长度 Ls = 250 m 的粘性滑移,然后再次运行仿真。下面,我们绘制了两种情况下沿着冰川中心流线表面的速度。
冰川表面存在和不存在基底滑动情况下的冰流速一维绘图。
现在,全球范围内冰川消失速度要高得多,也更符合预期的幅度。值得注意的是,粘性滑动不仅引入了速度的纯粹变化。实际上,作为非线性粘度的函数,它增加了非线性贡献,因此它不是纯粹的刚性。对于滑移长度这个值,滑动贡献了表面速度的大约 60%。

接下来,我们继续讨论温度对冰流动的影响,这是近期气候变化研究中的重要耦合问题。为了量化全球变暖对冰川的影响,我们设想如下一个实验。数据显示,1940 年至 1970 年间,全球气温一直处于稳定状态,因此我们可以假设冰川在此期间达到稳定状态。测量结果表明,全球平均气温在 50 年间上升了约 1 度。因此,我们可以模拟这 50 年间平均气温稳定上升 1 度情况下冰的瞬态流动。

为了了解这种温度变化的影响,我们可以绘制表面和下游边界总质量流出量(单位为兆吨/年)的演变图。
显示 1960 年到 2020 年冰川下游质量通量的线图。
观察气温开始上升和冰川反应之间的延迟非常有趣。线性升温始于 1970 年,线性升温的质量通量始于 1985 年左右。在 1970 年至 1985 年间,质量损失的加速度缓慢增加,直至达到每年约 13 千吨的稳定值。这种延迟主要是由于地表温度变化传播到整个冰川的时间(从而增加了整个冰川的平均温度)。结果,输出质量通量在此期间增加了大约 10%,导致在此期间净增加了 15 兆吨的冰损失(与温度保持稳定的情况相比)。

我们将结果与之前讨论的冰海冰川数据进行比较。如果我们所在地区的冰川厚度每年减少 5 米(平均 5500 米长,600 米宽),我们每年将损失 15 兆吨的冰。即使假设所有这些冰通量都会在较低的海拔处融化(事实并非如此),2017 年计算的每年 750 万吨远小于过去几十年冰海冰川的实际质量损失。这是因为仿真没有考虑负表面质量平衡(积雪减去表面冰的融化)。

就建模而言,表面质量平衡是数据输入,本身就是复杂物理学的产物。例如,较热的夏季对冰川有很大的影响,这是因为通常夏季降落的少量雪可以起到防御太阳辐射的作用,从而保护冰川在夏季不会大量融化。如果夏季没有降雪,那么冰川融化量会大得多。这种额外的融化导致液体水通过裂缝大量渗透,最终形成冰下水文网络,主要通过冰-基岩界面的润滑和水压“抬升”冰川,在基底滑动中发挥重要作用。

由于几何形状会影响动力学,因此我们针对冰川的给定几何形状执行仿真,忽略了几何形状因表面质量平衡和动力学而发生的演变,这也是很重要的一个方面。

关于冰流动建模的总结性思考

本篇博客文章介绍了如何用 COMSOL Multiphysics 建立和求解一个简单的冰川流动模型。COMSOL® 软件为此类建模中涉及的大多数问题提供了专用功能。本例和一般冰川学的主要局限是数据;通常包括地形数据、基底滑动长度、表面质量平衡、堆积和融化。

在接下来的博客文章中,我们将演示如何通过“优化模块”使用灵敏度分析和数据同化来充分利用冰川仿真。敬请关注!

后续操作

参考文献

  1. Climate Change 2013: The Physical Science BasisContribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, T.F. Stocker et al. (eds.), Cambridge University Press, 2013.
  2. R. Greve and H. Blatter, “Dynamics of Ice Sheets and Glaciers,” Springer, 2009.

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