层结环境中热液羽流物质输运范围的模拟计算
发布时间：2021-04-01 08:14
深海热液羽流系统对研究海底岩石圈和海洋之间的热量与物质输运及深海生物活动等科学问题具有重要意义。文章对温度层结环境中的二维轴对称热液羽流进行了数值模拟。计算结果表明,热液羽流上升过程中温度不断降低,浮力减小,在层结作用下达到最大上升高度。羽流垂向速度在羽流中心区域呈柱状分布,随着高度的增加速度值逐渐减少。计算得到的羽流最大上升高度和底部羽流半径与经典的MTT理论结果进行了对比,两者基本一致。而后随着时间增加,热液羽流顶部开始横向输运形成蘑菇状。示踪物浓度反映的羽流半径在高度050m保持不变,50m以上区域羽流最大半径随时间越来越大,在1.39h时不到30m,发展到100h后羽流半径达到150m。
【文章来源】：热带海洋学报. 2016,35(05)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
计算区域及初始温度分布
周围海水温度高、密度低,凭借初始速度和热浮力开始上升并形成羽流。羽流在上升的过程中不断卷积周围低温海水,浮力不断减少,在海洋环境的层结作用下,最终到达羽流最大上升高度(Woods,2010)。热液羽流到达最大上升高度之后开始横向传播。从量纲分析可以得知,羽流上升时间与浮力频率倒数1∕N为同一量级(Woodsetal,1992)。本文算例的预测羽流达到最大上升高度时间为2πt4924sN。选用*2πt5000sN作为单位时间,选取数值计算结果中不同时刻垂向速度在轴线上的分布,判断热液羽流是否达到最大上升高度。图2展示了0~10t*垂向速度分布的变化,羽流在t*时接近羽流最大上升高度。在t*之前,热液羽流不断上升,处于上升阶段。在t*之后,羽流速度出现小的振荡,很快稳定至一个固定的高度上,羽流垂向速度分布基本不变,羽流进入横向传播阶段。图2垂向速度分布随时间变化t*=5000s作为单位时间Fig.2Temporalevolutionofthevelocityalongtheventcenterline.t*=5000sisthebuoyancetimescale2.2最大上升高度、羽流半径与MTT理论对比MTT理论研究在浮力驱动下羽流的运动。在卷积假设下,MTT理论成功地预测了羽流在层结环境中的流动,推导得到了羽流在层结背景环境中羽流最大上升高度(Jiangetal,2014):140max33.76BZN(5)其中,浮力通量00BgQ,ρ代表喷口喷出流体与参考密度0之差,Q是喷口体积流量。本文中浮力通量B0为5.02×103m4s–3;浮力频率N=1.27103s1。根据这些参数可以得到MTT理论预测羽流最大上升高度为148.3m,数值计算中羽流最大上升高度为127.2m。理论与计算最大上升高度见表2。表2理论与计算最大上升高度Tab.2Thetheoreticaland
100热带海洋学报Vol.35,No.5/Sep.,2016卷积系数。通过定义zi0作为虚拟喷口与实际喷口的距离,即可得到羽流半径be与实际高度z的关系:ei065bzz(7)给定虚拟喷口与实际喷口距离zi0=14m,卷积系数α=0.08,便能得到羽流半径be的理论解。在数值计算结果中,Lavelle等(2013)提出羽流半径bc定义:在不同高度找到示踪物浓度最大值Cmax,然后在这一高度找到max0.1CC的位置作为羽流半径bc的位置。图3展示了羽流半径be理论解与计算得到羽流半径bc对比。羽流半径bc是由27.78h(20t*)时羽流浓度场数据得到。图3计算得到羽流半径与理论解的对比Fig.3Thetheoreticalandcalculatedplume’sradii图3中直线为理论解e065ibzz,散点为羽流半径bc随高度变化。实际高度范围为2~50m,对应羽流到虚拟喷口距离zi为16~64m。计算中喷口的高度设置为2m高,所以羽流半径的对比范围为2~50m。从图3可以看到理论解be与计算得到的羽流半径bc在高度2~50m范围内基本一致。2.3热液羽流速度分布热液羽流的速度分布将决定不同区域的物质输运强弱以及传播方向。选取羽流喷发27.78h(20t*)时的速度场,分别画出羽流垂向速度尝垂向速度的轴线分布和羽流横向速度场,如图4所示。图中为了反映轴对称结果,将计算区域沿对称轴镜像到左侧。图4a中热液羽流垂向速度分布显示,在羽流中心区域,也就是在喷口周围约20m范围内,羽流垂向速度呈柱状分布。随着高度的增加,羽流垂向速度逐渐减少。图4b给出了垂向速度在轴线上的分布,可以看到羽流速度在刚离开喷口时不断加速,达到速度最大值,接近0.1ms1,随着高度增加速度不断减少,在高度约127m处羽流速度降低为0,羽流达到最大上升高?
本文编号：3112998
【文章来源】：热带海洋学报. 2016,35(05)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
计算区域及初始温度分布
周围海水温度高、密度低,凭借初始速度和热浮力开始上升并形成羽流。羽流在上升的过程中不断卷积周围低温海水,浮力不断减少,在海洋环境的层结作用下,最终到达羽流最大上升高度(Woods,2010)。热液羽流到达最大上升高度之后开始横向传播。从量纲分析可以得知,羽流上升时间与浮力频率倒数1∕N为同一量级(Woodsetal,1992)。本文算例的预测羽流达到最大上升高度时间为2πt4924sN。选用*2πt5000sN作为单位时间,选取数值计算结果中不同时刻垂向速度在轴线上的分布,判断热液羽流是否达到最大上升高度。图2展示了0~10t*垂向速度分布的变化,羽流在t*时接近羽流最大上升高度。在t*之前,热液羽流不断上升,处于上升阶段。在t*之后,羽流速度出现小的振荡,很快稳定至一个固定的高度上,羽流垂向速度分布基本不变,羽流进入横向传播阶段。图2垂向速度分布随时间变化t*=5000s作为单位时间Fig.2Temporalevolutionofthevelocityalongtheventcenterline.t*=5000sisthebuoyancetimescale2.2最大上升高度、羽流半径与MTT理论对比MTT理论研究在浮力驱动下羽流的运动。在卷积假设下,MTT理论成功地预测了羽流在层结环境中的流动,推导得到了羽流在层结背景环境中羽流最大上升高度(Jiangetal,2014):140max33.76BZN(5)其中,浮力通量00BgQ,ρ代表喷口喷出流体与参考密度0之差,Q是喷口体积流量。本文中浮力通量B0为5.02×103m4s–3;浮力频率N=1.27103s1。根据这些参数可以得到MTT理论预测羽流最大上升高度为148.3m,数值计算中羽流最大上升高度为127.2m。理论与计算最大上升高度见表2。表2理论与计算最大上升高度Tab.2Thetheoreticaland
100热带海洋学报Vol.35,No.5/Sep.,2016卷积系数。通过定义zi0作为虚拟喷口与实际喷口的距离,即可得到羽流半径be与实际高度z的关系:ei065bzz(7)给定虚拟喷口与实际喷口距离zi0=14m,卷积系数α=0.08,便能得到羽流半径be的理论解。在数值计算结果中,Lavelle等(2013)提出羽流半径bc定义:在不同高度找到示踪物浓度最大值Cmax,然后在这一高度找到max0.1CC的位置作为羽流半径bc的位置。图3展示了羽流半径be理论解与计算得到羽流半径bc对比。羽流半径bc是由27.78h(20t*)时羽流浓度场数据得到。图3计算得到羽流半径与理论解的对比Fig.3Thetheoreticalandcalculatedplume’sradii图3中直线为理论解e065ibzz,散点为羽流半径bc随高度变化。实际高度范围为2~50m,对应羽流到虚拟喷口距离zi为16~64m。计算中喷口的高度设置为2m高,所以羽流半径的对比范围为2~50m。从图3可以看到理论解be与计算得到的羽流半径bc在高度2~50m范围内基本一致。2.3热液羽流速度分布热液羽流的速度分布将决定不同区域的物质输运强弱以及传播方向。选取羽流喷发27.78h(20t*)时的速度场,分别画出羽流垂向速度尝垂向速度的轴线分布和羽流横向速度场,如图4所示。图中为了反映轴对称结果,将计算区域沿对称轴镜像到左侧。图4a中热液羽流垂向速度分布显示,在羽流中心区域,也就是在喷口周围约20m范围内,羽流垂向速度呈柱状分布。随着高度的增加,羽流垂向速度逐渐减少。图4b给出了垂向速度在轴线上的分布,可以看到羽流速度在刚离开喷口时不断加速,达到速度最大值,接近0.1ms1,随着高度增加速度不断减少,在高度约127m处羽流速度降低为0,羽流达到最大上升高?
本文编号：3112998
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