McCreary和Fickian湍扩散形式差异的分析

用矩阵方法,求解McCreary和Fickian铅垂向湍扩散形式下,无界海洋条件时在风应力和深层浮力作用下的线性解。得出不同的湍扩散系数A情况下McCreary与Fickian湍扩散形式的流场结构。指出随湍扩散系数的增加,McCreary和Fickian湍扩散形式下u分量结构及其量值差异增大。在Fickian湍扩散形式下,能量穿越密度跃层的传递能力较强。当A=0.1cm^2s^(-3)时,在风应力和深层浮力作用下两种湍扩散形式造成流场的差异很小。提出在小湍扩散系数下,用McCreary湍扩散形式研究热带海洋环流,其结果和Fickian形式应相当一致。

湍流模型和施密特数对街谷内污染扩散模拟的影响

选取不同的湍动施密特数,分别采用标准κ-ε模型和realizableκ-ε模型对孤立街道峡谷内的气流运动和污染物扩散进行了数值模拟.计算得到的气流速度场和污染物浓度分布表明,标准κ-ε模型和realizableκ-ε模型预测出极为相似的气流旋涡结构,即在峡谷内生成一个中心大致位于峡谷中央的顺时针大旋涡,并在此大旋涡的作用下污染物往峡谷的背风侧积聚.通过对比分析峡谷迎风面和背风面上的无量纲污染物浓度计算结果与风洞试验数据表明,湍动施密特数的改变并不影响计算空气流场,但改变污染物扩散方程中的湍动扩散率,增大湍动施密特数将减弱污染物的湍动扩散作用,使得峡谷顶部污染物外溢减少,从而导致峡谷内的污染物浓度计算值增大;只要给定合适的计算参数,标准κ-ε模型和realizableκ-ε模型均能预测出峡谷内的污染物扩散分布,标准κ-ε模型合适的湍动施密特数为0.4～0.6,而realizableκ-ε模型则为0.3～0.5;当取湍动施密特数为0.7（Fluent软件系统中的默认值）时,标准κ-ε模型的计算精度高于realizableκ-ε模型的计算精度.

双组分扩散过程界面湍动现象观察

利用激光纹影仪对静止、水平流动以及降膜流动的乙醇水溶液双组分扩散过程中传质导致的界面对流结构进行了观察,同时考察了温度、液层厚度、流体运动状态等因素对界面对流结构的影响.研究结果有助于寻求增进传质的有效途径,并且为传质界面湍动现象的理论分析提供实验依据.

加拿大海盆冰下表层海水湍扩散系数估计

海洋的湍粘性系数和湍扩散系数是研究海洋动量传输、热扩散和物质扩散的物理基础,是海洋模式的重要参数。北冰洋是海冰覆盖的海洋,其湍粘性系数和湍扩散系数与其他大洋有显著不同。本文以Pacanowski&Philander的参数化方案为基础,采用二次北极科考的连续观测冰站和单次观测冰站的资料,定量计算了加拿大海盆74°N^78°N,144°W^164°W区域冰下60 m以浅的垂向湍粘性系数v和湍扩散系数kT,并分3个区域比较。结果表明:v和kT的垂向分布具有较好的一致性,表层和60 m处量值较大,中间较小;区域的不同主要体现在24 m以浅。

湍动流化床内固体颗粒扩散系数

将高速摄影及基于互相关原理的图像处理技术与颗粒扩散规律的研究进行结合,对湍动流化床中甲醇制烯烃催化剂SAPO-34颗粒的扩散系数进行了实验研究。实验表明,对于Geldart A类的SAPO-34颗粒,颗粒纵向扩散系数在10^(-2)~10^(-1) m^2·s^(-1)量级之间,横向扩散系数在10^(-3)~10^(-2) m^2·s^(-1)量级之间,两者均随流化风速的上升而增大。另外,在相同的流化风速下,粒径较小的颗粒具有更大的扩散系数。该结果对湍动床颗粒运动规律的研究有一定意义。

南极普里兹湾海域湍流扩散系数估计

基于Thorpe尺度方法,利用CTD数据,计算了南极普里兹湾海域的Thorpe尺度和湍流扩散系数,分析了观测区域(64°~69°S,66°~80°E)湍流翻转现象的强弱及分布。结果表明,在海底和地形粗糙区存在较大的Thorpe尺度(较强湍流翻转)和湍流扩散系数,湍流扩散系数最大值能达到10^(-2) m^2/s量级,比平坦开阔海洋高2~3个数量级,部分观测站位的湍流扩散系数和湍动能耗散率表现出大-小-大的垂向分布结构,总水深较深的区域尤为明显;深水区域的浮力频率在海表面到500m层比较大,浅水区域该现象不明显;湍动能耗散率在(67.25°S,73°E)周围和经度为78°E的各站位都表现相对较大,能达到10^(-6) w/kg量级,个别站位甚至能达到10^(-5) w/kg量级。

黄海西部海洋湍流的季节变化特征分析

在2006—2007年开展的"中国近海海洋综合调查与评价"项目中,作者利用自由下降湍流剖面仪MSS60在南黄海海区分别进行了夏、冬、秋季三个航次的微尺度湍流观测,并计算分析了该海区的湍动能耗散系数ε,湍扩散系数κ等。通过与温度、流速分布图对比,结果表明三个季节的湍流混合趋势大体一致。在沿岸浅水区,混合作用比较强烈。而深水区湍流混合的垂直分布明显地表现出三层结构,混合较强的上混合层和底混合层,及相对较弱的中层。风混合和潮混合是黄海湍流混合的主要形式。风的影响主要表现在海洋上层,潮流的影响则表现于底层。

考虑雾的微物理特征条件下的水雾扩散数值模拟研究

由于雾滴谱的不易获得 ,传统的水雾扩散研究一般不考虑其滴谱特征 ,而将其雾滴粒径作为常数处理 .为此 ,引入实测的雾滴谱资料 ,考虑水雾在流场中的扩散、蒸发及相变潜热对流场的反馈机制 ,利用三维非线性PBL方程组 ,采用工程上实用的湍流 [E ε]闭合方案 ,建立了一个高分辨率的PBL模式来模拟不同层结下 ,水电站泄洪产生的水雾的扩散及其对环境湿度的影响 .模拟结果表明 ,引入雾滴谱后的水雾扩散范围和相对湿度改变范围与不考虑雾滴谱条件下的相比 ,更接近实测 。

界面湍动对湿壁塔液相传质系数的影响

选用乙醚的低浓度水溶液为研究对象,在湿壁塔中液相层流流动状态下,考察乙醚解吸过程中传质系数与Ma-rangoni数之间的变化.实验结果表明当平行于界面的表面张力差超过临界值后,Marangoni界面湍动效应将发生,随之导致传质系数较之只依赖扩散传质时增大,并且传质效果的强化程度同Marangoni界面湍动的强度有关,进一步的实验数据拟合结果表明传质增强因子F同Ma数之间符合幂函数关系,结果有助于利用Marangoni界面湍动增强传质效果.

波浪破碎下湍流混合的实验研究

波浪破碎过程产生的湍流动量和能量垂向输运对于加快海洋上混合层中垂向混合具有显著效果。采用二维实验室水槽中对波浪破碎过程进行模拟。对采集的波浪振幅时间序列采用希尔伯特变换定位破碎波位置,波浪的破碎率随有效波高的增加而增大,波浪谱分析得到的波浪基本周期与有效周期结果相似。实验中采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)计算波浪破碎过程中湍动能耗散率的空间分布。湍流强度与波浪的相位密切相关,波峰位置处湍流活动最为剧烈,而且波峰位置处湍流混合区内湍动能耗散率量值的垂向分布基本保持不变,即出现“湍流饱和”现象,湍流影响深度可以达到波高的70%—90%。计算湍流扩散系数的垂向分布发现,湍流扩散在混合区上部随深度的增大以指数函数的形式增加,在混合区下部趋于稳定。作为对比,在相同位置处对声学多普勒流速测量仪(acoustic Doppler velocimeter,ADV)测量的单点流速做频谱分析,发现与该位置处PIV湍动能耗散率结果量级处于同一水平,进一步验证了实验结果的准确性。

基于精细温度观测的南海东北部陆坡-深海盆底层湍流混合

南海是存在强湍流混合的边缘海之一,但前人对南海湍流混合的研究更多关注的是中上层,对底层则鲜有关注。本文基于高分辨率温度传感器于2019年5月在南海东北部22个站位海底上方0.5m处持续观测4.4d的温度数据,分析了2216~3200m深度范围内底层海水温度的时间变化特征,并探讨了地形粗糙度和内潮对底层湍流混合的影响。分析结果表明,南海东北部各站位底层海水的温度变化量级约为10^(–4)~10-^(–3)℃;温度变化趋势与正压潮变化趋势不同,温度能谱显示多数站位在全日和半日频带区间出现谱峰,温度变化更多地受斜压潮影响,全日、半日内潮起主要调制作用。陆坡-深海盆过渡区及深海盆底层的湍动能耗散率量级为10^(–10)~10^(–9)m^(2)·s^(–3),涡扩散系数量级为10^(–4)~10^(–3)m^(2)·s^(–1)。观测数据未能显示底层湍流混合与地形粗糙度存在明显的相关性。底层湍流混合的空间分布与过去观测到的南海北部深海盆内潮的南北不对称性分布一致。

渤海弱层化期湍流混合观测特征分析

利用2017年9月在渤海共享航次中取得的湍流混合直接观测数据,本文研究了渤海海域湍流混合的空间分布特征及有关的影响因素。9月观测海区水体垂向层结较弱,莱州湾受黄河冲淡水影响出现高温低盐结构,位于渤海中央浅滩南北两侧洼地的双中心冷水结构依旧存在。湍流观测结果表明湍动能耗散率在10^-9~10^-5W/kg之间变化,统计上满足对数正态分布。耗散率强值区出现在辽东湾及渤海湾湾口近岸处,相应的垂向湍扩散系数约为10^-6~10^-2m^2/s。垂向上,水体表、底层混合较强,进一步研究发现弱层化水体的平均湍动能耗散率〈ε〉与风速和正压潮流速的大小存在正相关关系。另一方面,耗散率ε与浮性频率N近似满足ε=2.0×10^-8+3.0×10^-7(N^2/N0^2)^-5的拟合函数关系,反映了层化对水体垂向混合的抑制作用。

夏季长江口及其邻近海域湍流特征分析

利用2019年7月在长江口科学考察实验研究夏季航段(NORC2019-03-02)中获得的MSS90L湍流剖面仪的直接观测数据,本文计算并分析了该断面的湍动能耗散率ε和垂向湍扩散系数KZ的分布情况。湍动能耗散率的大小为1.72×10^(−10)~2.95×10^(−5)W/kg;垂向湍扩散系数的大小为3.24×10^(−7)~4.55×10^(−2)m^(2)/s。湍动能耗散率和垂向湍扩散系数的分布相似,均为上层最强,底层次之,中层最弱。上层由于风应力的作用,使得湍动能耗散率和垂向湍扩散系数较大;温跃层处层化较强,抑制了湍动能的耗散和垂向上的湍混合。盐度锋面的次级环流会促使低盐水团脱离,锋面引起的垂向环流会加强海洋的湍混合。低盐水团与外界的能量交换较少,湍动能耗散率较弱。长江口海区存在明显的上升流和下降流,它们是由锋面的次级环流产生的;上升流和下降流的存在促进湍动能的耗散与湍混合。

夏季南海北部海洋混合的微结构特征研究

通过对2007年8月海洋湍流微结构剖面观测资料进行分析,研究南海北部上层湍流混合特征.结果表明,南海北部强混合发生区主要为北部陆架陆坡区域,陆架底混合层湍耗散率可达10-5W.kg-1异常高值.深水区温跃层以下,湍耗散率大部分为10-9W.kg-1量级,然而存在较多小尺度过程产生的强湍流薄层,其湍耗散率达到10-7W.kg-1量级.在吕宋海峡附近,观测到西太平洋次表层水入侵南海,同时伴随着强烈的湍流耗散和混合.混合系数γ的分布显示,Os-born模型估算南海混合率γ取0.11为佳.利用Richardson数对观测到的垂向热扩散系数参数化,发现陆架陆坡区和深水区的垂向混合有不同的规律.

北冰洋次表层暖水形成机制的研究

分析了北冰洋加拿大海盆上层海水温度结构特征,针对在海冰覆盖区域普遍发生的次表层暖水现象,建立了冰海耦合的一维柱形模式,成功模拟了次表层暖水的垂向结构和形成机制,证明了太阳辐射加热和表层冷却是次表层暖水的成因。通过数值实验定量分析了形成次表层暖水各因子的作用,表明太阳辐射是形成次表层暖水的能量来源;长波辐射、气温和比湿等其他大气因子对次表层暖水强度有较大影响;在厚冰区不能形成次表层暖水,海冰越薄,水道面积越大,则冰下次表层海水温度升高得就越快,薄冰和冰间水道是形成次表层暖水的主要能量通道;通过模式的拟合给出湍扩散系数垂向变化的估值,冰下表层海水垂向湍扩散系数为5.0×10-3m2/s左右,而次表层垂向湍扩散系数却快速降低到1.0×10-6m2/s,表明跃层导致的稳定性增大是形成次表层暖水尖峰的关键因素。

带电粒子在空间关联的湍动静电场中扩散行为的粒子模拟

本文用Monte-Carlo方法模拟具有一维高斯型空间关联函数的湍动静电场,在此基础上通过积分带电粒子在该湍动电场中的运动方程,得到粒子系的相对扩散和绝对扩散的演化过程。所得模拟结果不但定性的与解析理论一致,而且定量符合也令人满意。

植物流体力学

植物离不开空气、水和阳光,而空气和水的流动性对植物的生长有着重要的影响。这样便形成了一门交叉学科——植物流体力学。最近的研究表明,植物的光合、呼吸、蒸腾作用均直接与叶面边界层的湍流特征有关。

扩散角对文丘里管内湍流影响的试验研究

为研究扩散角对文丘里管内湍流的影响,采用立体粒子图像测速技术分别对扩散角度为10°、12.5°、15°以及20°的文丘里管扩散段区域进行了测量,得到了平均速度分布,并通过瞬时速度场的统计分析得到了扩散段湍动能分布情况。研究表明,不同扩散角度的文丘里管扩散段内平均速度在截面直径方向成轴对称的单峰分布,湍动能在截面直径上成轴对称的双峰分布,在各试验工况下扩散段内均发生流动分离现象。随扩散角度增加,湍动能峰值增加,主流区径向宽度未发生变化,分离流区径向宽度增加,但对分离流区所占比例的影响较小,高湍动能区变宽;随着雷诺数的增加,湍动能峰值增加,主要由轴向雷诺应力引起,分离流区所占比例略有降低,但主流区和分离流区分布变化较小。此研究为高雷诺数不同角度的文丘里管流场研究提供了实验基础。

基于海豹观测的阿拉斯加湾东部陆坡海域逆温现象及其衰退机制

利用2014年3–4月北象海豹携带的自动温盐深仪(CTD-SRDL)在阿拉斯加湾东部陆坡海域上采集到的温盐剖面数据,分析了该海域逆温现象的空间分布和演变过程。结果显示,研究海域存在明显的逆温现象,逆温幅度和逆温厚度范围分别介于0.2~1.6°C和20~280 m之间,前者沿陆坡向北幅度逐渐增大,后者在50°~58°N间往北逐渐变厚,在58°N以北海域平均厚度较薄。3月25日至4月22日,逆温层处于衰退阶段。逆温层下界温度不断下降,逆温幅度呈变弱趋势,逆温厚度呈变薄趋势。一维扩散模型模拟结果表明,湍扩散作用下,观测期间海表受热导致混合层上部位温升高,但底部仍保持低温,因此逆温层上界温度变化并不明显。次表层由于具有强的位温梯度,湍扩散导致逆温层下界温度显著降低,是观测期间逆温衰退的主要原因。湍扩散作用导致次表层水体温盐属性趋于均匀,这一过程对于阿拉斯加湾逆温现象的形成及演变研究具有重要意义。

排水管道内湍动能分布特性及影响因素

污水中的污染物在管道输送过程中由于管道壁生物膜的微生物作用而发生降解,生化反应过程取决于物质从水相到生物膜之间的传质过程,传质过程受管道中流态特别是湍流作用的影响较大。采用PIV技术和FLUENT软件模拟下水道流态,重点研究充满度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和坡度为0.003、0.005、0.008、0.01、0.03时水相中湍动能和湍动耗散率的沿程变化。结果表明,在充满度一定时管壁处的湍动能及湍动耗散率最大,且其随着坡度的增大而逐渐增大;坡度一定时,充满度越大管壁处湍动能及湍动耗散率越大。