滨海海底边界层对底栖微体化石仿真模拟的影响

计算流体力学CFD(computational fluid dynamics)近年来在古生物学研究中已有大量应用。该方法在研究生物化石的个体形态、器官功能,以及其与生存环境之间的关系方面具有重要意义。目前古生物领域的CFD仿真对象多为厘米级别体型的生物,而对于毫米级别大小的微体生物的仿真则相对较少。区别于厘米级别的宏体生物,底栖型微体生物的生活环境局限于海床上方垂直高度较小的区域,受海底黏性边界层低流速区域的影响更为明显,因而在设置这类化石仿真的水流环境时应当考虑对于边界层流域水体流速以及海床表面地理环境的还原。本文基于随机表面生成的方法,构建了不平坦的滨海海床表面模型,并模拟了水流在海底边界层附近受海床表面地形影响的流动状态;基于获得的仿真流速数据,我们仿真了寒武纪微型底栖刺细胞动物化石Quadrapyrgite在起伏的海床表面环境中四个不同位置的受水流阻力情况。仿真结果显示,近海床表面处的水体流动可形成明显的低流速区域,且低流速区域的厚度随着入口速度增大而变薄。在起伏表面的凹凸区域中,凸起地带的迎水面形成的低流速区域较薄,流速变化较快;而在凸起地带背水面以及凹陷地带形成的低流速区域较厚,流速较缓且易形成涡旋。流速的差异体现在不同位置的Quadrapyrgite的受阻力大小不同上,其差值可达数倍到数十倍。这种量级的受阻力差值可以在毫米级到厘米级尺度上塑造、影响底栖型生物的分布甚至其自身的摄食行为。本文的研究为CFD方法模拟底栖微型化石的生存环境提供了更加深入的思路和方法。