Wie gefriert ein Fluss, wenn das Wasser weiter fließt?

Sie wissen, dass Eis weniger dicht ist als Wasser. Dann bleibt gefrierendes Wasser an der Oberfläche. Denken Sie auch daran, dass Wasser nur an der Oberfläche gefriert. Dann bricht, wie Sie sagten, jegliches Eis, das sich bildet, auseinander. Aber es gibt Stellen auf dem Fluss, an denen sich diese winzigen Eisstücke ansammeln und matschiges Eis bilden können. Es gibt viele Studien über matschiges Eis und Eisbildung am Nordpol, wenn Sie dies überprüfen möchten. Bleiben die Temperaturen unter dem Schmelzpunkt des Flusswassers, wird das matschige Eis schließlich zu Eisschichten. Sobald sich die Schichten an den Stellen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit gebildet haben, beginnen sie zu wachsen und sich auszudehnen. Da Eis fest ist, wird das Wasser das Eis treiben, und wenn die Schicht dick genug ist, wird das Wasser sie nicht brechen und es schließlich schaffen, den gesamten Fluss zu bedecken. Nur die Oberfläche friert ein. Unter dem Eis fließt noch normal Wasser.

Um dies zu simulieren, beginne ich mit den Navier-Stokes-Gleichungen für die Wasserbewegung. Dann müssen Sie einige Advektions-Diffusions-Wärmetransportgleichungen hinzufügen. Um sie an die Flüssigkeit zu koppeln, machen Sie einfach die Dichte von Wasser zu einer Funktion der Temperatur. Sie könnten versuchen, die Viskosität auch zu einer Funktion der Temperatur zu machen, aber das kann zu einigen numerischen Instabilitäten führen. Für den Phasenwechsel ist die Enthalpiemethode recht einfach zu implementieren. Sie wissen, dass das meiste Wasser im Fluss fast am Schmelzpunkt ist, aber nicht genug Energie verliert, um fest zu werden. Nur das Wasser oben wird. Dann müssen Sie berücksichtigen, dass Sie 3 Medien haben. Eis, Wasser und Luft. Alle haben unterschiedliche Dichten und Wärmekapazitäten, die für die Simulation wichtig sind. Du' Ich werde feststellen, dass Eis zu einer Art Wärmeisolator wird, der verhindert, dass das darunter liegende Wasser ab einer bestimmten Dicke gefriert. Dann der schwierige Teil. Sie möchten, dass sich das Eis bewegt und oben bleibt.

Sie können also 2 Ansätze haben.

Die erste besteht darin, eine Grenzverfolgungsmethode zu verwenden, um Eis von Wasser zu trennen. Berechnen Sie dann die Widerstandskraft und den Auftrieb, damit das Eis schwimmt, und wenden Sie dies auf die Grenze an, um es zu bewegen. Wie Sie wahrscheinlich bemerkt haben, besteht das Problem bei diesem Ansatz darin, dass sich die Grenze verschieben muss, und das kann schwierig sein.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, eine Brinkmann-Penalisierung für die Flüssigkeit zu verwenden, aber Sie benötigen ein zusätzliches Hilfsfeld für das Eis, und irgendwie müssen Sie die Kräfte aus dem Geschwindigkeitsfeld der Flüssigkeit berechnen und sie an das Hilfsfeld übergeben. Schließlich müssen Sie ein Bruchmodell für das Eis implementieren. Dieses Modell wird nicht so schwer sein, da Eis sehr gut untersucht ist und es bereits viele Vorschläge gibt.

Ich hoffe, Sie haben eine ungefähre Vorstellung von den physikalischen Phänomenen bekommen. Wenn Sie Fragen haben, beantworte ich diese gerne.

Der Fluss gefriert nicht in seinen beweglichen Teilen. An Stellen, wo das Wasser bewegungslos oder fast bewegungslos ist, beginnt es von den Ufern aus zu gefrieren. Dann wächst der gefrorene Bereich allmählich in Richtung Flussmitte. Außerdem brechen Teile des gefrorenen Ufers ab, türmen sich schließlich auf, dämmen und schaffen stationäre Bereiche, in denen das Wasser weiter gefriert. Dieser Prozess ist deutlich zu sehen, wenn Sie Fotos von Flüssen im Laufe eines eiskalten Winters untersuchen:

In idealen Kanälen mit ständig bewegtem Wasser, wie z. B. Wasserleitungen, gefriert das Wasser nicht, selbst wenn die Temperatur der Leitung deutlich unter dem Gefrierpunkt liegt, solange die Leitung kontinuierlich fließt.

Ein Video wie dieses ist wahrscheinlich die direkteste Antwort, die möglich ist.

Meine Interpretation: Der Fluss trägt schwimmende Eisstücke, die sich schließlich stauen und eine halbgeschlossene Oberfläche bilden. Dadurch wird der Wasserfluss nach oben deutlich verlangsamt, wodurch auch die verbleibenden flüssigen Teile an der Oberfläche gefrieren können.