变密度流体层中气泡浮升运动的数值模拟

本文开发了一种耦合气体和两层不同密度液体的直接模拟数值模型,以研究变密度流体层中气泡浮升的运动特性.基于高精度空间离散的5阶加权本质无振荡格式和时间离散的3阶Runge-Kutta格式,提出一种多水平集函数耦合的数值方法,实现了气液相界面和各液体表面的捕捉以及交界面处密度和黏度的计算.模型用已有文献的计算结果进行了验证,并应用于水、油两层流体中气泡运动的研究,有效地捕捉了复杂条件下气泡浮升运动的精细结构.研究发现:相较于均匀密度流体层中的运动,气泡在变密度流体层中运动时,其下方的压差液柱更容易在底部发生断裂分离;气泡上方液体的厚度较大,则气泡处于水下变形阶段的时间就越长,并使气泡底部的形态更趋向于扁平.

深海热液羽流动力学特性的数值模拟研究:以卡尔斯伯格脊大糦热液区为例

建立了基于雷诺平均方法的计算流体动力学模型以模拟深海层化环境下高温热液羽流的上升、扩散和湍流混合过程,并应用于研究西北印度洋卡尔斯伯格脊大糦热液区羽流的特性.根据现场测量数据,分析了模型的参数敏感性,重点讨论了喷口流量、环境浮力频率等因素对羽流运动过程的影响.计算得到了层化海洋环境中热液羽流的三层流场结构形态以及最大上升高度、中性浮力高度等关键环境参数.结果表明,经典卷吸假设仅适用于0.6倍最大上升高度以下的羽干区域,而中性层水平输运和羽帽区循环等作用使得羽流上部具有复杂的结构;湍流动能和湍流耗散率均在热液口附近达到最大值,而湍流黏度的最大值却出现在羽帽区,说明羽帽区存在强烈的湍流混合.通过所建立的模型对大糦热液区所探测到的热液羽状流进行了定量模拟,其结果得到了现场观测数据的验证,并估计了高温热液喷口的热通量约为39.38 MW.研究结果对海底热液喷口的示踪、海洋物质能量循环过程研究和海底多金属硫化物资源勘查与环境评价具有支撑价值.

基于实测影像的深海热液羽流流场与物质能量输入特性反演研究

深海热液羽流是岩石圈与水圈进行物质能量交换的关键媒介,对海洋元素循环和海水化学成分的演化有重要影响.本研究基于实测影像资料对西北印度洋卧蚕-1号热液区热液喷口羽流进行了定量分析,以区域互相关算法为基础计算了热液羽流的流场结构,并进一步估算了卧蚕-1号“火焰山”热液喷口释放的热量和物质通量.结果表明,热液羽流中心线上的垂向速度在初始动量和浮力通量的共同作用下随羽流上升呈增大趋势,羽流中心线最大垂向速度约15.5 cm/s,最大水平速度约10.3 cm/s.受卷吸和边界剪切作用,热液羽流体积流量随上升高度增加近似线性增加.经估算,该喷口向海洋输入的热量约1.35±0.11 MW,所释放的Fe元素约3661±323 kg/a.研究结果为慢速扩张洋脊深海热液羽流动力特性和热液区物质与能量交换提供了科学参考依据.