长江河口环流与湍流混合：数学模拟与理论计算

发布时间：2018-02-20 02:59

本文关键词： 潮汐环流湍流混合层化势能差异潮汐应变湍动能耗散率长江河口北槽 TELEMAC-3D模型　出处：《上海交通大学》2014年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：为了进一步认识长江河口北槽水体的物理学,本文利用有限元数学模型TELEMAC-3D,并结合相关物理参数的计算,分别研究该水域2010年枯季、洪季潮汐环流与湍流混合。模拟得到的北槽三维水流分布显示:(i)2010年枯季,小潮河口环流‖非常明显(约0.2~0.6 m·s-1),大潮河口环流‖并不明显;(ii)2010年洪季,因未考虑层化引起的斜压,并未出现河口环流‖;(iii)2010年枯季,考虑斜压的情况下,北槽中段CSW断面出现了非常明显的横向环流(次生环流)‖;2010年洪季,由于未考虑斜压,该断面难以形成横向环流;(iv)2010年枯季、洪季,均在坝田区形成了较为明显的局部平面环流‖。为了探讨潮汐应变环流‖对北槽河口环流‖的贡献,分别计算了北槽3个水文观测站(上段CS1,中段CSW,下段CS8)2010年枯季大潮至小潮的混合参数M。结果显示:各站大潮的M值均大于1.0,而小潮的则明显减小至1.0以下。这些可能表明:大潮期间形成了潮汐应变环流‖,并对河口环流‖贡献较大,而小潮期间河口环流‖主要受重力环流‖的控制, 潮汐应变环流‖的贡献相对较小。为了确定2010年枯季北槽水域层化的强度,分别计算了大潮、小潮平均的势能差异‖分布。结果显示:其变化范围分别约为0~30 J·m-3和0~90 J·m-3,且较大的势能差异‖基本位于主航槽。这些表明:小潮期间的层化明显更强,其最大的层化强度大约是大潮的3倍,主航槽的层化强于坝田区,而北槽中段往往具有更强的层化。为了了解2010年枯季各物理机制的时空特征,分别计算了北槽下段落急时刻潮汐应变‖、潮汐与风共同搅动‖引起的势能差异‖变化率。结果显示: 潮汐应变‖、潮汐与风共同搅动‖引起的势能差异‖变化率的范围分别约为42 0~1 0 0 1 0???W·m-3、40~100 10??W·m-3,且从大潮至小潮, 潮汐应变‖总体增强而潮汐与风共同搅动‖总体减弱。空间上,主航槽丁坝附近的潮汐应变‖明显强于坝田区, 潮汐与风共同搅动‖的强度在坝田区内、外也存在差异,导堤和丁坝的影响明显。为了探讨2010年枯季北槽3个水文观测站(上段CS1,中段CSW,下段CS8)混合与层化的特征和物理机制,分别计算了各站势能差异‖、潮汐应变‖及潮汐与风共同搅动‖引起的势能差异‖变化率、总的势能差异‖变化率、Si数等的时间序列。结果显示:北槽上段CS1站,大潮至中潮的Si数在0.3~0.8之间,小潮的Si数在0.6~0.9之间,属应变致周期性层化(SIPS)‖。北槽中段CSW站,大潮至中潮的Si数在0.2~0.8之间,属SIPS。小潮的Si数在1.1~1.7之间,属持续性层化。北槽下段CS8站,大潮至中潮的Si数在0.15~0.4之间,属SIPS。小潮的Si数在0.9~1.5之间,属持续性层化。从大潮至小潮,CSW、CS8站的势能差异‖逐渐增大,而CS1站势能差异‖却是逐渐减小。为了了解2010年枯季北槽3个水文观测站(上段CS1,中段CSW,下段CS8)混合与层化的特征及潮汐应变‖对湍流的影响,绘制了各站数学模拟得到的湍动能耗散率、计算得到的相应梯度Ri数时间序列图。结果显示:各站湍动能耗散率的量级范围大潮约10-10~10-3 W·kg-1,小潮约10-10~10-5 W·kg-1,其梯度Ri数的量级范围在混合较好的表、底层约10-4~10-1,而在层化较好的中间水层约10-2~101。各站湍动能耗散率分布均有明显的M4周期性特征和涨、落潮不对称分布,且表层和底层分别由于风应力和底摩擦作用而具有较强的耗散,中间水层稳定层化区的耗散则显著减小。潮汐应变‖是造成各站湍动能耗散率在涨、落潮周期内不对称分布的重要因素。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TV143

【参考文献】