An experimental comparison of thermal-mechanical properties of freshwater and saline ice in Arctic environments

Abstract

Termisk istrykk er en av de åtte islastene som må vurderes for støttestrukturdesign av bunnfestede havvindmøller definert av internasjonal standard IEC 61400031. Temperaturendringer i is driver dens deformasjon og forårsaker strukturer som begrenser ekspansjonen til å oppleve belastning. Den effektive termisk ekspansjonskoeffisient (ECTE) kan brukes til å kvantifisere forskjellen i hav versus fersk is oppførsel under termisk påvirkning. Siden den termiske ekspansjonen av fersk is generelt er godt forstått, kan termiske ekspansjonseksperimenter med fersk is sammenlignes med sjøis, som har en mer kompleks struktur bestående av en fast ismatrise som inneholder væske og gass. Fiber Bragg Grating (FBG) tøynings- og temperatursensorer muliggjorde målinger av termisk ekspansjon i ferske og saltholdige isprøver under forskjellige grenseforhold i det kalde laboratoriet. Eksperimenter ble sammenlignet blant ferske og saltholdige isprøver for tre distinkte anvendte termiske handlinger: lufttemperaturendring, flyting i vann og oversvømmelse av isoverflaten. Feltarbeid på fersk- og havis under samme meteorologiske forhold ble utført for å sammenligne termiske spenninger. De termiske ekspansjonslufteksperimentene ga ingen signifikante forskjeller i ECTE-verdier for fersk, granulær og søyleformet saltholdig is. Imidlertid ble det observert under flyteeksperimentene med ubegrenset is at granulær saltholdig is resulterte i en større ECTE enn fersk is. Negative verdier for ECTE ble oppnådd for kolonneformede sjøislufttemperaturendringsforsøk og under granulære saltholdige isflyteeksperimenter, som begge skjedde under oppvarmingssykluser. Flomforsøk beskrev den termiske responsen av latent varmefrigjøring under vannfrysing på isoverflaten, og det ble observert at fersk is viste sterkere hysterese i resultater enn saltholdig is. Termiske spenninger overvåket i omtrent en måned om vinteren i Vallundensjøen havisen knyttet til Van Mijenfjorden og i en nærliggende ferskvannssjø viste høyere verdier for fersk is enn havisen og økte over dypet for begge isarkene som opplevde de samme meteorologiske forholdene.

Thermal ice pressure is one of the eight ice loads to consider for the support structure design of bottom-fixed offshore wind turbines defined by international standard IEC 61400031. Temperature changes in ice drive its deformation and cause structures restricting expansion to experience loading. The effective coefficient of thermal expansion (ECTE) can be used to quantify the difference in sea versus fresh ice behavior under thermal action. Since the thermal expansion of fresh ice is generally well understood, fresh ice thermal expansion experiments can be compared to sea ice, which has a more complex structure consisting of a solid ice matrix containing liquid and gas. Fiber Bragg Grating (FBG) strain and temperature sensors enabled measurements of thermal expansion in fresh and saline ice samples under different boundary conditions in the cold laboratory. Experiments were compared amongst fresh and saline ice samples for three distinct applied thermal actions: air temperature change, floating in water, and flooding the ice surface. Fieldwork on fresh and sea ice under the same meteorological conditions was performed to compare thermal stresses. The thermal expansion air experiments yielded no significant differences in ECTE values for fresh, granular, and columnar saline ice. However, it was observed during the unconfined ice floating experiments that granular saline ice resulted in a larger ECTE than fresh ice. Negative values for ECTE were obtained for columnar sea ice air temperature change experiments and during granular saline ice floating experiments, both occurring during heating cycles. Flooding experiments described the thermal response of latent heat release during water freezing on the ice surface, and it was observed that fresh ice showed stronger hysteresis in results than saline ice. Thermal stresses monitored for approximately one month during winter in the Vallunden lake sea ice attached to Van Mijenfjorden and in a nearby freshwater lake demonstrated higher values for fresh ice than sea ice and increased over the depth for both ice sheets which experienced the same meteorological conditions.