آموزش کامسول بررسی حرکت یخچال با شبیه سازی ویسکوالاستیک یخ

شبیه سازی ویسکوالاستیک : آموزش کامسول صفحات یخی گرینلند و قطب جنوب بزرگترین توده های یخی جهان هستند که چندین هزار کیلومتر طول و صدها متر ضخامت دارند. شتاب یخچال‌ها و ذوب سطحی از عوامل اصلی افزایش سطح دریا از گرینلند هستند. شبیه‌سازی‌های ویسکوالاستیک خزش چسبناک و تغییر شکل کوتاه‌مدت الاستیک را نشان می‌دهد، که بینشی در مورد وقوع شکاف‌ها در یخچال‌های طبیعی و زایش کوه‌های یخ ارائه می‌کند.

برای آموزش کامسول و مشاهده ویدو های آموزشی به صورت رایگان لطفا کلیک کنید

منطقه مورد نظر

برای کاهش عدم قطعیت در پیش بینی های افزایش سطح دریا، تمام فرآیندهای مرتبط در توده های یخ باید تا حد امکان واقعی شبیه سازی شوند. هدف ما این بود که این کار را برای  (79 North Glacier، 79NG)، یک یخچال خروجی عظیم در شمال شرقی گرینلند انجام دهیم. این یخچال طبیعی که به طور کامل از بین رفته است، سطح دریای جهان را 1.1 متر افزایش می دهد. یکی از سه زبانه شناور باقیمانده – یک امتداد شناور در آبدره‌ای به طول حدود 70 کیلومتر – در گرینلند دارد. جزر و مد اقیانوس با برد حدود 1 متر باعث بالا آمدن و سقوط جسم شناور و تغییر سیستم هیدرولوژیکی زیر یخچال طبیعی می شود. علاوه بر این، یخ در ناحیه انتقال بین یخ زمینی و شناور آزاد، خم شدن ناشی از جزر و مد اقیانوس را تجربه می کند. همه این فرآیندها منجر به تغییرات جابجایی افقی و عمودی قابل مشاهده توسط اندازه‌گیری‌های GPS و تداخل سنجی ماهواره‌ای می‌شوند و با یک مدل المان محدود قابل تکرار هستند.

آموزش کامسول شبیه سازی ویسکوالاستیک

به طور معمول، مدل‌های ورقه‌های یخی بزرگ گرینلند فقط رفتار جریان چسبناک غیرنیوتنی یخ را با استفاده از قانون توان غیرخطی برای ویسکوزیته (قانون جریان گلن) شبیه‌سازی می‌کنند که شامل نرخ کرنش مؤثر است. با این حال، شکاف‌ها و شکاف‌ها در یخچال‌ها ماهیت یک جامد هستند و نشان می‌دهند که یخ نیز خاصیت ارتجاعی دارد و این کار را در مقیاس‌های زمانی کوتاه انجام می‌دهد. در مرکز هلمهولتز موسسه آلفرد وگنر (AWI) برای تحقیقات قطبی و دریایی، ما هم شبیه‌سازی صفحات یخ در مقیاس بزرگ و هم مدل‌سازی ویسکوالاستیک را انجام می‌دهیم.
اثرات کشسانی نیز برای جزر و مدی که جریان یخ کند حرکت را در مقیاس زمانی بسیار کوتاه‌تر تغییر می‌دهند، قابل مشاهده است – به جای اینکه چندین سال طول بکشد، کمتر از یک روز طول می‌کشد. برای مدل‌سازی هر دو اثر چسبناک و الاستیک، یک مدل ماده ماکسول مناسب است، بنابراین تنش چسبناک انحرافی برابر با تنش ارتجاعی انحرافی است.

تنش به یک بخش تغییر دهنده حجم (هیدرواستاتیک) و یک بخش منحرف کننده حفظ کننده حجم (ناهمسانگرد) تقسیم می شود. از انحراف تنش می توان برای مدل سازی تغییر شکل یک ماده استفاده کرد. کرنش ویسکوز یا کشسان یک متغیر ناشناخته است که می‌توانیم آن را با ضریب PDE اضافی در آموزش COMSOL اضافه کنیم. موازنه مومنتوم دومین معادله ای است که COMSOL باید برای جابجایی های ناشناخته حرکت یخ حل کند. مشتق از این معادله را می توان در بسیاری از کتاب های مکانیک پیوسته یافت و به عنوان یک فرم عمومی PDE در کامسول گنجانده شده است. برای یخ، تنها نیروی خارجی که در تعادل تکانه در نظر گرفته می شود، گرانش است.

شرایط مرزی برای 79NG

برای تطبیق شبیه‌سازی کلی یک ماده ویسکوالاستیک ماکسول با شرایط 79NG، هندسه یخ نامنظم آن را ساختیم و شرایط مرزی مناسب را اعمال کردیم. هندسه یک مقطع در امتداد یک خط جریان مرکزی 79NG است و توسط مشاهدات رادار هوابرد مشاهده شد. برای مدل‌سازی مقطع دوبعدی کرنش صفحه به جای هندسه سه‌بعدی، مفروضات مختلف در جهت‌های جریان متقاطع باید معتبر باشند. شکل و بارگذاری نباید در بعد سوم خیلی تغییر کند، به این معنی که عرض دامنه یخ در نظر گرفته شده باید به اندازه کافی بزرگ باشد. حالت تنش مستقل از بعد سوم است، جهت جریان متقاطع جابجایی روی صفر تنظیم می شود و تمام اجزای کرنش در جهت عرض ناپدید می شوند. مفروضات کرنش صفحه در مقطع 79NG معتبر است، زیرا هندسه یک خط جریان مرکزی است و تأثیر مرزهای جانبی ناچیز است.
شرایط مرزی مهم دو شرایط مرزی تنش متفاوت در پایه یخ است. در زبان شناور، فشار آب که می تواند شامل تغییرات جزر و مدی باشد به عنوان تنش طبیعی در پایه عمل می کند. در جایی که یخچال زمین است، لغزش در صفحه مماسی در پایه عمل می کند. قوانین متداول لغزشی از وابستگی غیرخطی تنش برشی پایه، زبری پایه، فشار نرمال موثر و سرعت پیروی می کنند. تنش طبیعی موثر با فشار در سیستم هیدرولوژیکی زیر یخچالی تعیین می شود – آب به عنوان روان کننده برای یخ عمل می کند. از آنجایی که محاسبه شار آب زیر یخبندان فقط برای یک خط جریان کافی نیست، فشار آب معمولی از مدل سه بعدی سیستم آبخوان محدود- نامحدود (CUAS) AWI منتقل می‌شود. فشار موثر تفاوت بین فشار روباره یخ و فشار آب زیر یخبندان است. ما علاوه بر این سیگنال جزر و مدی را مستقیماً به فشار آب زیر یخبندان در مدل هیدرولوژیکی اضافه می کنیم: CUAS. پارامتر زبری ناشناخته است. بنابراین، با استفاده از وارونگی سطح مشاهده شده بهینه شده است.

سرعت توسط سنجش از دور ماهواره ای در مدل سیستم سطح یخ و سطح دریا (ISSM). ISSM یک مدل جریان المان محدود متن باز است که برای کاربردهای یخچال های طبیعی در مقیاس قاره و خروجی مناسب است. با استفاده از همان مقطع شبیه‌سازی کامسول، جریان یخ با معادلات استوکس کامل مدل‌سازی می‌شود، به این معنی که یک قانون ماده چسبناک اعمال می‌شود. همچنین میتوانید آموزش نرم افزار کامسول را از این طریق اقدام کنید.

نتایج شبیه سازی به خوبی با جابجایی های جزر و مدی مشاهده شده مطابقت دارد. در ناحیه خمشی، جایی که یخ شروع به شناور شدن می کند، یک تغییر فاز برای جابجایی عمودی ویسکوالاستیک که متناسب با اندازه گیری ها است، قابل مشاهده است. یک شبیه‌سازی ماده کاملاً چسبناک نمی‌تواند هیچ تغییر فازی را به سیگنال جزر و مدی موجود بازتولید کند. میتوانید برای آموزش comsol اقدام کنید.

یافته شگفت‌انگیز دیگر – حتی بیشتر – این است که حتی فراتر از دسترسی سیگنال جزر و مدی، تغییر شکل الاستیک ظاهر می‌شود. سویه های الاستیک در هر جایی که یخچال با سرعت بیش از 70 سانتی متر در روز (سرعت نسبتاً بالایی برای یخ) بر روی موج های بستر ناهموار زیر یخ جریان دارد، یافت می شود.

آموزش مدل سازی گرافن را از اینجا بخوانید.