圆台形海山引起的上升流及绕流的机理性研究

发布时间：2020-07-25 11:20

【摘要】：作为海洋地貌的重要组成部分,海山可对其附近海水流动、生物群落分布、甚至局地气候变化等均有显著影响。相比于底部平坦的深海地形,海山地形与海流的相互作用会使海流发生一系列的显著改变。海山诱导周围分层海水的典型流动现象有上升流、涡脱落及内波等。深入开展海山对海洋上升流、绕流及内波影响研究,了解上升流、涡脱落及内波的演化机制对于促进海洋生态学、军事海洋学、海洋声学等相关学科的发展以及海上交通、海洋生产、海底开发等具有重大的意义。本文利用三维数值模拟的方法研究了在均匀和分层来流条件下海山附近的海水流动,给出了海山对海水流动影响的定量刻画。主要研究结果如下:首先,根据实际海山的地貌特征,提出了本文研究的海山模型及相应的几何比尺;在考虑数值精度要求和计算成本基础上,测试了相应的湍流模型以及网格和时间步长,构建了海山模型分层流数值计算方案;通过与经典圆柱绕流实验数据的比对,确证了本文研究中数值计算方案的可靠性。其次,针对均匀密度来流条件,研究了雷诺数Re=102-106下圆台形海山绕流流动。数值结果显示海山绕流流动依赖于雷诺数,并进一步得到了海山主要水动力学参数的定量刻画。最后,针对线性分层来流条件,研究了圆台形海山的绕流流动。基于三维数值模拟结果,重点观察了分层流体中海山前后的上升流、分离点、涡脱落以及内波对雷诺数和弗罗德数的依赖;进一步给出了海山主要水动力学参数与雷诺数和弗劳德数的标度律。本文的研究对象为均匀和线性分层来流条件下海山绕流流动,并获得了初步的定量分析结果。但是,由于计算资源和时间的限制,计算精度还需进一步提高,相应的深入理论分析和实验测量也是必不可少的环节。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P737
【图文】：

上升流,海流,地形

图１－２海流（地形）致上升流逡逑Ｆｉｇ．邋１邋－２邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）邋－ｉｎｄｕｃｅｄ邋ｕｐｗｅｌｌｉｎｇ逡逑“地形引起的上升流促进了海山的初级生产力和生物群落的发展”这一猜最开始是由Ｕｄａ和Ｉｓｈｉｎｏ［１７＾出的。Ｐｅｆｆｌｅｙ和０’Ｂｒｉｅｎ［１８］通过多种地形数值试验，逡逑发现地形起伏相比于海岸形状对上升流沿岸分布起着更为重要的作用，着重描了地形起伏对俄勒冈沿岸上升流的贡献。Ｐｒｅｌｌｅｒ和０’Ｂｒｉｅｎ［１９］在秘鲁沿岸观测到一个上升流中心也被认为是局部海山地形导致的。Ｒｏｄｒｉｇｕｅｓ和Ｌｏｒｅｎｚｚｅｔｔｉ［２Ｑ］利两层有限元数值模拟，考察了坡底地形和海岸线形状对巴西东南部大陆架沿岸升流的作用。0６１１丨１１［２１］针对海山、峡谷和陆架三种主要地形对浮游动物、微生物及鱼类的聚集效应，总结了洋流驱动下的五种不同机制，其中上升流机制引起的养物质的上涌对生物的聚集效应有很重要的影响。Ｋｉｍ等［２２］通过数值实验对不排列组合的人工海山进行了研究分析，利用栅格定量刻画了上升流流速、面积和量。逡逑目前国内学者对上升流的研究主要集中于沿岸上升流。颜廷壮［２３］根据中国

海山,模型

部基座直径比值小于0．１［１２］，不便于数值模拟，适当地增大了高度与底部直径的比逡逑例，所以取圆台底部基座直径乃为参考长度，顶部平台直径为０．６Ｄ，圆台高度为逡逑￡＞，如图２－１所示。逡逑图２－１海山模型（左图［７Ｇ】）逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｇｕｙｏｔ邋（ｔｈｅ邋ｌｅｆｔ邋ｏｎｅ邋［７０］）逡逑２．２逦湍流模型逡逑海山附近的流动通常表现出湍流特征，即流动多为不规则且多尺度的复杂湍逡逑流脉动且由复杂非线性输运特性。数值模拟湍流需要精细的数值方法和相当大的逡逑计算资源。数值模拟湍流需要精细的数值方法和相当大的计算资源。目前，国内外逡逑学者对许多湍流模型都进行了分析研宄，如ＳＳＴｋ－ｏｍｅｇａ模型、大涡模拟、分离涡逡逑模型（ＤＥＳ）等，但是目前都没有完全适用的模型。逡逑湍流数值模拟方法可分为直接数值模拟方法（ＤＮＳ）和非直接数值模拟方法，逡逑如图２－２所示。直接数值模拟方法，顾名思义，即直接求解瞬时湍流控制方程（Ｎ－逡逑Ｓ方程），然后对流场进行统计来获得湍流平均特性，可以获得湍流场的精确信息，逡逑计算误差小

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【参考文献】