基于FLUENT的深海热液羽状流流动模拟

发布时间：2020-10-30 11:08

　　 作为深部地球与海洋之间物质与能量交换的桥梁,海底热液活动具有重要的理论和现实意义。越来越多的研究发现,海底热液喷溢形成的硫化物矿富含金、银、铜等多种金属,分布比较集中,开发技术难度小、开发效率高,自然生长速度快。在陆地矿藏资源日益枯竭的形势下,深海硫化物矿逐渐成为最具开采前景的海底矿产资源之一,然而,到目前为止,仍然没有准确定位硫化物矿的有效手段,这使深海硫化物矿的勘探开发受到很大制约。深海热液羽状流的流动模拟对解决以上问题有很大帮助。模拟试验热羽流的水动力学过程不但能够更好地理解热羽流的运动规律,还可以通过反演热羽流的运动过程,快速准确定位热液喷口,为深海热液硫化物矿的探寻提供技术支持。 本文基于流体力学基本理论(动量平衡、物质平衡与扩散理论)与现有的热液活动分析模型,应用FLUENT软件模拟出了热液羽状流喷发后在海底的扩散形态,具体工作包括以下三个方面： (1)通过对已有研究资料进行分析,总结出了海底热液活动的全球分布及热液活动发生的构造环境和区域地形环境。从理论层次上掌握了底层流、海水层结、地球自转等实际因素对热液羽状流扩散可能造成的影响,并归纳了已有的热液羽状流扩散理论模型。 (2)本模拟采用Speer和Rona的初始条件,模拟算出当喷发速度为0.4 m/s时,热液上升的最大高度约为400 m,而Speer和Rona通过差分法估算出的上升高度是437 m,二者之差为经验值的8.5%,在可接受的范围内。此外,模拟的热液扩散过程中温度及热液柱横截面积的变化趋势与前人的经验结果基本一致,这充分说明用FLUENT软件对热液扩散形态进行模拟是可行的。 (3)为了进一步了解热液扩散的机制,本文模拟分析了五种不同热通量的热液扩散。结果表明喷发温度、热源半径、喷发初速度对热液扩散的影响主要表现在热液刚喷发时的上升速度和热量扩散速度以及热液能够上升的最大高度等方面,而对热液扩散的几何形状没有太明显的影响,随着热通量的增加,热液上升高度和稳态时热液柱的横截面积相应增大。 本文将模拟分析结果与前人所做相关研究进行比较验证后,建立了一套可行的、能够广泛应用的深海热液羽状流流动模型,为进一步研究热羽流的物理机制等问题提供了依据,并为通过反演热液羽状流的扩散过程快速寻找热液喷口、准确定位深海硫化物矿提供了技术支持。
【学位单位】：中央民族大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2011
【中图分类】：P744
【部分图文】：

山、海底火山等)。研究证明，海底热液活动区普遍发育在大洋构造活动区内，尤其是大洋中脊、弧后盆地及板内火山等三大构造环境。进一步研究发现，海底热液活动几乎可以存在于各构造带。图2一1显示了其在各种构造环境中分布的比例l’ZJ。图2一1不同构造环境中热液活动区的分布比例2.2深海热液活动区环境特征分析2.2.1现代海底热液活动发育的构造环境特征分析分析发现，现代海底热液活动发育的构造环境主要是扩张轴上的中轴谷、无中轴谷的扩张轴、火山口、陆壳、大陆裂谷、沉积物区和三叉区。对热液活动发育的构造环境的详细分析表明，现代海底热液活动区并不位于海底上正地形的最高部位，既不在海底火山的顶峰，也不在大洋中脊的顶峰，而是位于海底高地形上的负地形中，如大洋中脊上的中轴谷、火山顶峰的火山口底部和侧坡。热液活动发育的特殊部位说明它和形成海底火山和大洋中脊的岩浆活动在时间上的次序关系。热液活动的发育在位置上受控于岩浆活动，在时间上，它发生在岩浆活动结束后，是强烈的热膨胀、热冷缩后的释热形式。从宏观上讲，发育现代海底热液活动的构造环境特征非常明显，即现代海底热液活动总是出现在构造活动的部位

盐度 (psu)36.1035.0635.1035.0634.9534.9434.90透射率 (%)98.0098， 2298.3398.3798.3998.3998.42图2一2显示了2003年由大西洋海隆测得的电导度一温度一深度剖面。 3375m深处的峰值可能显示了热液柱的顶部。参数在低于 355Om的强烈信号可能说明了热液柱体的形成。中性浮力层大约225m厚，深度大约在 3150一 3375m之间。由于热液孔所在位置处于 3650m深的海水之下，因此必须考虑水的压力效应。温度转化为位势温度，位势温度是海水在绝热状态下被抬升至海面所具有的温度[4一。

最适生长的微生物);嗜温微生物(指在35℃左右最适生长的微生物);嗜热微生物(指在50℃一110℃之间最适生长的微生物);嗜高温微生物(在70℃一lro℃最适生长的微生物)，具体见图2一。嗜冷微生物/产--一_嗜热微生物嗜高温微生物--一一-一几二‘二一几二二几泣二一七一一1lj，CO七嗜温微生物_---------一-一-----一_35COU0U110U图2一3极端温度微生物群落分布147114同
【参考文献】

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1 金颖,周伟国,阮应君;烟气扩散的CFD数值模拟[J];安全与环境学报;2002年01期

2 冯军,李江海,陈征,牛向龙;“海底黑烟囱”与生命起源述评[J];北京大学学报(自然科学版);2004年02期

3 栾锡武,翟世奎,干晓群;冲绳海槽中部热液活动区构造地球物理特征分析[J];沉积学报;2001年01期

4 由长福,祁海鹰,徐旭常,Bernard Baudoin;采用不同湍流模型及差分格式对四角切向燃烧煤粉锅炉内冷态流场的数值模拟[J];动力工程;2001年02期

5 栾锡武,秦蕴珊;现代海底热液活动的调查研究方法[J];地球物理学进展;2002年04期

6 李江海,牛向龙,冯军;海底黑烟囱的识别研究及其科学意义[J];地球科学进展;2004年01期

7 席峰,郑天凌,焦念志,张瑶;深海微生物多样性形成机制浅析[J];地球科学进展;2004年01期

8 栾锡武;现代海底热液活动区的分布与构造环境分析[J];地球科学进展;2004年06期

9 王连捷,张利容,王薇,袁嘉音;地球自转速率变化引起的全球应力场[J];地质力学学报;1997年03期

10 吴珍汉;略论引潮力的交变应力效应及其地球动力学意义[J];地质力学学报;1998年03期

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本文编号：2862388