河口区斜压梯度对余水位的累积影响及其机制探讨

余水位(即潮平均水位)是河口区径潮相互作用的典型结果,研究其形成演变机制对探讨河口区的水资源高效开发利用具有重要科学意义。本文基于不同径潮边界条件下的三维斜压水动力数值模拟及切比雪夫机制分解,初步探讨了概化地形条件下斜压梯度对余水位沿程变化的影响。数值模拟结果表明:河口区余水位的沿程变化明显受径流量、潮波振幅、辐聚地形及斜压梯度等因素的共同影响,斜压梯度对余水位的影响是一种累积效应且影响区域集中在回水区,同时其影响强度具有明显的大小潮变化、洪枯季变化。利用数值模型提供的水位及流速场信息,通过切比雪夫分解非线性摩擦项分离出控制余水位变化的3个主要因素,即径流、潮流和径潮相互作用因子,并与斜压梯度产生的余水位进行对比分析,结果表明:回水区域余水位主要以径潮相互作用因子为主导;斜压梯度对余水位影响主要体现在小潮期间,有可能成为影响余水位变化的主控因子。

河口海岸三维双σ坐标斜压水流数值模型研究

在海底地形陡变、垂向密度分层明显的水域,三维σ坐标模式中会出现一种"伪"水平斜压梯度力,并会引起"伪"密度流,以至于影响模拟的精度。垂向上引入双σ坐标变换,建立河口海岸水域三维斜压水流数值模型。数值试验结果表明,在海底地形陡变水域,双σ坐标模式可以减小水平斜压梯度力处理引起的误差。

莱州湾夏季环流垂向结构及其影响机制的研究

完善莱州湾三维环流结构,对进一步认识莱州湾海域的物质输运和生态环境保护具有重要科学意义,但前人对于莱州湾环流三维结构的研究相对较少。本文基于一套高分辨率的海洋数值模式,从三维角度研究了莱州湾夏季8月份环流的气候态特征及其影响机制。数值研究表明,莱州湾夏季环流垂向结构呈现双层环流特征,其中在跨等深线方向,环流的双层结构环流特征比较显著且存在显著的密度锋面结构。动量诊断的结果进一步表明,这种双层结构环流的形成与底层密度锋面所导致的斜压梯度力密切相关。此外,通过量化温盐场对于密度锋面的贡献,本文证实了温度梯度是莱州湾顶的密度锋面的主要影响因素,其对斜压梯度力的贡献占比达到99%,而盐度梯度对于莱州湾中部区域的密度锋面十分重要,对斜压梯度力的贡献占比达到58%,这与夏季黄河所带来的淡水通量密切相关。

大型水库水温分层数值模拟

针对大型水库水温分层特点,建立了一种三维数值计算模型。该模型根据控制方程中各物理过程的变化特点采用算子分裂法,对时间步长要求苛刻的快过程采用隐式求解,对时间步长要求宽松的慢过程采用显式求解,协调了不同物理过程模拟的时间步长;提出单侧边界坐标拟合法解决了河道计算区域平面尺度差别大的问题,增加了计算稳定性;对斜压梯度力在σ坐标系下的计算方法作了处理,提高了计算精度。该模型得到了实验室分层流资料和二滩水库实测资料的验证,充分表明模型的有效性和实用性。

σ-数值切割单元法(σ-SIBM)——解决σ-坐标在海洋陡坡区域数值模拟中压强梯度误差的新方法

σ-坐标是地表水三维水动力及物质输运模型使用最多的垂向坐标,但陡坡区域水平压力梯度误差长期制约着σ-坐标在海洋模拟中的发展,现有解决方法如z-平面法、相对密度法、提高精度法和地形光滑法等都未取得满意的结果.本文提出σ-数值切割单元法,在陡坡区域引入伪床面,降低H/x,消除了长期存在的区域水平压力梯度问题,将问题转化为陡坡位置的非贴体网格问题,进一步采用数值切割单元法解决边界拟合问题.对数值切割单元法的关键步骤,如床面数值识别、网格单元或节点分类、数值源项的半隐式求解以及切割速度的插值计算,提出适合于地表水地形分布特性的具体解决方法.模型既利用了传统σ-网格的简单高效性,又克服了σ-坐标在陡坡或复杂地形中应用的局限性,实现了σ-坐标和数值切割单元法的联合优势.理想海山试验表明,σ-数值切割单元法所产生的最大速度误差相对z-平面法减小近一倍,全域动能误差减小两个量级左右.海沟、海山、大陆架及河口区域存在下的复杂地形数值试验表明,模型对复合陡坡地形同样具有很好的适应性.

Study of Transition from Laminar to Turbulent Boundary Layer on a Tilted Flat Plate Using Heat Transfer Measurements

The boundary layer transition over a flat tilted plate has been studied by means of heat transfer measurements. A heat flux sensor has been developed, in order to measure the efficiency of convective heat transfer for various types of surfaces or flows. Its operation at constant temperature allows direct and fast measurements of heat flux. The present paper reports the development of the sensor and presents its application to the study of transition in a boundary layer depending on the angle of incidence of the external flow. An exponential relationship between critical Reynolds number and pressure gradient parameter has been found.