Как замерзает река, если вода продолжает двигаться?

Вы знаете, что лед менее плотный, чем вода. Тогда замерзшая вода останется на поверхности. Кроме того, имейте в виду, что вода замерзает только на поверхности. Тогда, как вы сказали, любой лед, который образуется, расколется. Но на реке есть места, где эти крошечные кусочки льда могут скапливаться, образуя кашеобразный лед. Есть много исследований мягкого льда и образования льда на северном полюсе, если вы хотите проверить. Если температура останется ниже точки плавления речной воды, мягкий лед в конечном итоге превратится в слои льда. Как только слои формируются в местах с низкой скоростью потока, они начинают расти и расширяться. Поскольку лед твердый, вода будет поглощать лед, а затем, если слой будет достаточно толстым, вода не сломает его и в конечном итоге сможет покрыть всю реку. Замерзнет только поверхность. Под льдом вода все еще течет нормально.

Чтобы смоделировать это, я начну с уравнений Навье-Стокса для движения воды. Затем вы должны добавить некоторые уравнения переноса тепла адвекции-диффузии. Чтобы связать их с жидкостью, просто сделайте плотность воды функцией температуры. Вы можете попытаться сделать вязкость также функцией температуры, но это может привести к некоторой численной нестабильности. Для фазового перехода достаточно просто реализовать энтальпийный метод. Вы знаете, что большая часть воды в реке будет почти в точке плавления, но не потеряет достаточно энергии, чтобы стать твердой. Просто вода сверху будет. Затем вы должны принять во внимание, что у вас есть 3 среды. Лед, вода и воздух. Все они имеют разную плотность и теплоемкость, что важно для моделирования. Ты' Вы заметите, что лед станет своего рода теплоизолятором, предотвращающим замерзание воды под ним после определенной толщины. Затем трудная часть. Вы хотите, чтобы лед двигался и оставался на вершине.

Таким образом, у вас может быть 2 подхода.

Первый заключается в использовании некоторого метода отслеживания границ для отделения льда от воды. Затем рассчитайте, какой будет сила сопротивления и плавучесть, чтобы лед плавал, и примените это к границе, чтобы переместить его. Как вы, наверное, заметили, проблема с этим подходом заключается в том, что граница должна двигаться, а это может быть непросто.

Второй способ заключается в использовании некоторого штрафа Бринкмана для жидкости, но вам понадобится дополнительное вспомогательное поле для льда, и каким-то образом вы должны вычислить силы из поля скорости жидкости и передать их во вспомогательное поле. Наконец, вы должны реализовать модель разрушения льда. Эта модель не будет такой уж сложной, потому что лед очень хорошо изучен и уже предложено много вариантов.

Надеюсь, вы получили общее представление о физических явлениях. Если у вас есть какие-либо вопросы, я с радостью на них отвечу.

Река не замерзает в своих движущихся частях. Он начинает замерзать от берегов в местах, где вода неподвижна или почти неподвижна. Затем площадь замерзания постепенно увеличивается к центру реки. Кроме того, куски замерзшего берега отрываются, затем в конечном итоге накапливаются, запруживаются и создают стационарные участки, где вода еще больше замерзает. Этот процесс хорошо виден, если рассмотреть фотографии рек в течение морозной зимы:

В идеальных каналах с постоянно движущейся водой, таких как водопроводные трубы, даже если температура трубы значительно ниже точки замерзания, вода не замерзнет, ​​пока в трубе есть непрерывный поток.

Такое видео, вероятно, является самым прямым ответом.

Моя интерпретация: Река несет участки плавучего льда, которые со временем заклинивают и образуют полузамкнутую поверхность. Это значительно замедляет поток воды наверху, что позволяет замерзнуть и оставшимся жидким частям на поверхности.