层结背景下热液柱演化的实验模拟
发布时间：2019-11-08 07:02
【摘要】：为了研究洋中脊处海底烟囱喷出的热液柱的动力学特征以及其与周围海水之间的关系,在实验室内对热液柱的演化过程进行了实验模拟研究。在实验设计中,采用底部点源提供热通量的方法触发热液柱,使用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry——PIV)获取速度信息,高灵敏度热敏探头采集温度信息。通过瞬时速度场分析热液柱的运动特征以及其与周围层结背景环境之间的卷挟过程。实验表明,层结的背景环境阻碍了热液柱的垂向上升以及水平延伸。层结的背景条件下,在热液柱发展演化的整个过程中,其呈现出明显的振荡特征,且振荡频率(0.10—0.35rad/s)与背景环境的浮力频率(0.20—0.30rad/s)数值相当。热液柱与周围纯水之间存在强混合,发现在热液柱的热源处和顶部的混合最为强烈,中性浮力层高度以下是热液柱与周围纯水混合的主要区域,混合强度以卷挟系数α表征,α值从 0.30到0.13之间变化,大致随着高度的增加而减小。通过瞬时速度场分析得到热液柱的湍流耗散率ε,发现在垂直方向上,其"颈部"的耗散最强,沿水平方向上,其中心处的耗散最大,向四周逐渐递减,呈现高斯分布。
【图文】：
1428海洋与湖沼48卷2048×2048像素,后处理计算窗取32×32像素,并有50%的重叠率,因此获得的速度场矢量数为128×128。为了获得更高的速度场分辨率,对热电阻上方两个不同的区域同时进行PIV测量(如图1所示),拍摄区域一的范围为56×56mm,拍摄区域二的范围为122×122mm。图1实验装置、温度探头位置以及PIV测量区域Fig.1Schematicdiagramoftheexperimentalsetup,thepositionofthethermistorsandthePIVmeasurementarea初始背景水体层结通过对上下底板设置不同温度来形成。设置上下底板温度分别为40°C和16°C,通过12小时的静置,水体由于热传导而形成如图2a)的垂向温度分布,通过状态方程计算水体的密度分布,从而得到表征背景水体层结的浮力频率N,1/2N[(g/)(d/dz)](1)式中g、ρ是重力加速度和水体密度,其计算结果如图2b所示,背景水体浮力频率约为0.2—0.3rad/s(热液柱发展过程中高度范围)。图2初始背景水体垂向温度(a),相应的浮力频率(b)Fig.2Verticalprofileoftemperature(a),andcorrespondingbuoyancyfrequency(b)intheexperimentaltank2结果与讨论2.1热液柱速度特征通过PIV观测得到的速度场可以直观地显示热液柱的演化过程以及速度分布特征。图3中a—h分别为热液柱在提供热量的0、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0、4.8、5.6s不同时刻的瞬时速度常从图中可以看出,通过热电阻触发出的热液柱具有较高温度(约20.5°C),因密度低于周围流体而具有正加速度,从而其垂向速度逐渐增大;在此过程中,周围纯水由于被热液柱卷挟,因为水平速度方向指向热液柱中心,且速度大小逐渐降低,说明热液柱对周围纯水的卷挟作用逐渐减弱,而卷挟进入热液柱的周围相对低温纯水导致热液柱密度增大,从而垂向加速度值逐渐减校在发展过程中,热液柱的水平和垂向尺度?
48像素,后处理计算窗取32×32像素,并有50%的重叠率,因此获得的速度场矢量数为128×128。为了获得更高的速度场分辨率,对热电阻上方两个不同的区域同时进行PIV测量(如图1所示),拍摄区域一的范围为56×56mm,拍摄区域二的范围为122×122mm。图1实验装置、温度探头位置以及PIV测量区域Fig.1Schematicdiagramoftheexperimentalsetup,thepositionofthethermistorsandthePIVmeasurementarea初始背景水体层结通过对上下底板设置不同温度来形成。设置上下底板温度分别为40°C和16°C,通过12小时的静置,水体由于热传导而形成如图2a)的垂向温度分布,通过状态方程计算水体的密度分布,从而得到表征背景水体层结的浮力频率N,1/2N[(g/)(d/dz)](1)式中g、ρ是重力加速度和水体密度,其计算结果如图2b所示,背景水体浮力频率约为0.2—0.3rad/s(热液柱发展过程中高度范围)。图2初始背景水体垂向温度(a),相应的浮力频率(b)Fig.2Verticalprofileoftemperature(a),andcorrespondingbuoyancyfrequency(b)intheexperimentaltank2结果与讨论2.1热液柱速度特征通过PIV观测得到的速度场可以直观地显示热液柱的演化过程以及速度分布特征。图3中a—h分别为热液柱在提供热量的0、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0、4.8、5.6s不同时刻的瞬时速度常从图中可以看出,通过热电阻触发出的热液柱具有较高温度(约20.5°C),因密度低于周围流体而具有正加速度,从而其垂向速度逐渐增大;在此过程中,周围纯水由于被热液柱卷挟,因为水平速度方向指向热液柱中心,且速度大小逐渐降低,说明热液柱对周围纯水的卷挟作用逐渐减弱,而卷挟进入热液柱的周围相对低温纯水导致热液柱密度增大,从而垂向加速度值逐渐减校在发展过程中,热液柱的水平和垂向尺度不断增大,最大速度均分布在的
本文编号：2557717
【图文】：
1428海洋与湖沼48卷2048×2048像素,后处理计算窗取32×32像素,并有50%的重叠率,因此获得的速度场矢量数为128×128。为了获得更高的速度场分辨率,对热电阻上方两个不同的区域同时进行PIV测量(如图1所示),拍摄区域一的范围为56×56mm,拍摄区域二的范围为122×122mm。图1实验装置、温度探头位置以及PIV测量区域Fig.1Schematicdiagramoftheexperimentalsetup,thepositionofthethermistorsandthePIVmeasurementarea初始背景水体层结通过对上下底板设置不同温度来形成。设置上下底板温度分别为40°C和16°C,通过12小时的静置,水体由于热传导而形成如图2a)的垂向温度分布,通过状态方程计算水体的密度分布,从而得到表征背景水体层结的浮力频率N,1/2N[(g/)(d/dz)](1)式中g、ρ是重力加速度和水体密度,其计算结果如图2b所示,背景水体浮力频率约为0.2—0.3rad/s(热液柱发展过程中高度范围)。图2初始背景水体垂向温度(a),相应的浮力频率(b)Fig.2Verticalprofileoftemperature(a),andcorrespondingbuoyancyfrequency(b)intheexperimentaltank2结果与讨论2.1热液柱速度特征通过PIV观测得到的速度场可以直观地显示热液柱的演化过程以及速度分布特征。图3中a—h分别为热液柱在提供热量的0、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0、4.8、5.6s不同时刻的瞬时速度常从图中可以看出,通过热电阻触发出的热液柱具有较高温度(约20.5°C),因密度低于周围流体而具有正加速度,从而其垂向速度逐渐增大;在此过程中,周围纯水由于被热液柱卷挟,因为水平速度方向指向热液柱中心,且速度大小逐渐降低,说明热液柱对周围纯水的卷挟作用逐渐减弱,而卷挟进入热液柱的周围相对低温纯水导致热液柱密度增大,从而垂向加速度值逐渐减校在发展过程中,热液柱的水平和垂向尺度?
48像素,后处理计算窗取32×32像素,并有50%的重叠率,因此获得的速度场矢量数为128×128。为了获得更高的速度场分辨率,对热电阻上方两个不同的区域同时进行PIV测量(如图1所示),拍摄区域一的范围为56×56mm,拍摄区域二的范围为122×122mm。图1实验装置、温度探头位置以及PIV测量区域Fig.1Schematicdiagramoftheexperimentalsetup,thepositionofthethermistorsandthePIVmeasurementarea初始背景水体层结通过对上下底板设置不同温度来形成。设置上下底板温度分别为40°C和16°C,通过12小时的静置,水体由于热传导而形成如图2a)的垂向温度分布,通过状态方程计算水体的密度分布,从而得到表征背景水体层结的浮力频率N,1/2N[(g/)(d/dz)](1)式中g、ρ是重力加速度和水体密度,其计算结果如图2b所示,背景水体浮力频率约为0.2—0.3rad/s(热液柱发展过程中高度范围)。图2初始背景水体垂向温度(a),相应的浮力频率(b)Fig.2Verticalprofileoftemperature(a),andcorrespondingbuoyancyfrequency(b)intheexperimentaltank2结果与讨论2.1热液柱速度特征通过PIV观测得到的速度场可以直观地显示热液柱的演化过程以及速度分布特征。图3中a—h分别为热液柱在提供热量的0、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0、4.8、5.6s不同时刻的瞬时速度常从图中可以看出,通过热电阻触发出的热液柱具有较高温度(约20.5°C),因密度低于周围流体而具有正加速度,从而其垂向速度逐渐增大;在此过程中,周围纯水由于被热液柱卷挟,因为水平速度方向指向热液柱中心,且速度大小逐渐降低,说明热液柱对周围纯水的卷挟作用逐渐减弱,而卷挟进入热液柱的周围相对低温纯水导致热液柱密度增大,从而垂向加速度值逐渐减校在发展过程中,热液柱的水平和垂向尺度不断增大,最大速度均分布在的
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1 Ｊｏｈｎ Ｅ．Ｌｕｐｔｏｎ;用RAFOS中性浮力漂流物追踪事件热液柱的演化[J];海洋地质动态;1999年02期
，本文编号：2557717
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