沿海增养殖水域的水动力与溶解氧传输数学模型及特性研究

发布时间：2020-05-29 00:34

【摘要】：随着沿海地区人口密度持续增加,以及生产密集程度升高,造成水域环境容量持续下降。解决发展与保护之间的矛盾,势在必行。沿海增养殖水域是物理、化学、生态相互作用的场所,水文环境是其重要组成部分,具有学科交叉特点。探讨沿海增养殖水域水动力特性、溶解氧的传输机制与特性,是海洋养殖水文环境科学研究的热点和难点问题,对海洋环境动力学理论研究和预测预警有重要的现实意义。本文以流体力学基础理论、湍动扩散理论等为理论基础,以发展数学模型和进行数值模拟为主要手段,开展相关研究,期间进行了部分实验研究。主要工作和成果如下:1.对水环境数学模型的复杂性进行哲学层面的思考,从认识论和方法论两个维度,分析水环境数学模型创新的思路和途径。梳理了沿海增养殖水域水动力和溶解氧传输数学模型的理论基础,包括:流场及物质输运控制方程、湍流模式理论、强化传质的场协同原理。2.基于“湍涡动量全流场传输,而非层间传递”假设,以指数概率密度分布作为流速在垂向剖面重新分布的基本规律,建立了一种一维湍流时均流速垂向剖面分布数学模型。引用文献报道的数据,将该模型与对数律模型的计算结果进行比较;结果表明:该模型在所做案例的精度中优于对数律模型。以悬浮物湍动扩散系数为衰减对象,建立了一种SSC垂向剖面分布模型,并与劳斯方程进行比较。在选用的对比案例中该模型的精度优于劳斯方程,并且不存在自由液面处浓度始终为0的问题。3.开展的实验模拟研究中,运用水槽三维搭载平台定位测点,采用声学式多普勒流速计测量三维水池环流流速。采用快速傅立叶变换方法,建立了计算分析时均流速、脉动流速、湍动强度的基本方法,结果表明方法可行。分析了水池环流的时均流速分布特点;对流速脉动强度分布进行了探讨。4.基于非恒定雷诺方程,有限容积数值方法,采用动网格方法解决叶轮旋转问题,开展养殖池中水车式增氧机工作时的流场过程特性数值模拟研究;与现场测量的流速历时数据比较,验证模型的可靠性。根据模拟结果,分析了增氧机布置方式对水动力特性的影响;并对流速的增长、衰减过程进行了计算和分析,得出了流速历时特性和规律。本文的数值模拟方法,为类似水域叶轮式机械驱动的三维流场的数值模拟提供了可供借鉴的研究方法。5.在养殖池强制环流数值模拟研究的基础上,进一步采用物质输运的对流扩散模型作为溶解氧输运模型,数值模拟了强制环流的水动力与溶解氧传输瞬态过程。运用场协同原理对溶解氧传输特性开展研究。通过两种代表性池型(矩形和狭长形),共7中增氧机布置方式,较详细分析了流场结构与浓度分布均匀性、溶解氧传输速率之间的关系;由此解释了养殖池溶解氧强化传输机制与规律;提出了增氧机在养殖池中布置的一般原则。本文建立的描述时均流速和悬浮物浓度垂向剖面分布数学模型,为海洋增养殖水文环境,特别是养殖水域湍流时均流速和悬浮物垂向剖面分布提供了一种新的思路和应用模型。养殖池强制三维环流的室内实验和数值模拟研究工作,为环流集污、养殖生境、养殖机械节能等方面的研究提供了可供借鉴的方法。水池环流的溶解氧-湍涡强化传输机制与规律的研究,为增氧机的合理布置提供了一般性原则。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O357.5;S914;P73

【参考文献】