海山水平繞流與上升流

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1、海山水平繞流與上升流1緒論1.1研究背景及意義海山是整個(gè)海洋地貌重要的組成部分，多數(shù)海山是由死火山形成，從海底向上突出1000至4000米。常見的海山形態(tài)可按照地貌形態(tài)和構(gòu)造特征分為兩大類：平頂型海山和尖峰型海山⑴。平頂型海山的山體規(guī)模較大，在長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展過程中，其露出海面的山體遭受了嚴(yán)重的風(fēng)化剝燭。剝燭的作用使得露出海面山體逐漸演化成為了大規(guī)模的山頂平臺(tái)，后可沉沒水下，形成平頂型海山。平頂型海山的山頂平臺(tái)直徑一般在5000?9000米，基座為10000?20000米[1]。下圖1-1給出的是平頂型海山形成過程

2、的示意圖，可以較為清晰地看出海山由最初的海洋噴發(fā)火山逐步變?yōu)槠巾斝秃Ｉ降倪^程。區(qū)別于平頂型海山，尖峰型海山的山體尺寸較小。由于尖峰型海山的山體一般未能露出海面或者露出海面的山體遭受風(fēng)化剝燭時(shí)間較短，所以未能形成大規(guī)模的山頂平臺(tái)。如下圖1-2所示，可以明顯的看出平頂型海山的山體規(guī)模較尖峰型海山要大的多。由于海山獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)，海山會(huì)對(duì)其周圍海水的流動(dòng)產(chǎn)生：重要影響。海山周圍海水的典型流動(dòng)形態(tài)主要有海山的水平繞流、上升流及下降流。水平繞流與上升流之間的相互作用，會(huì)導(dǎo)致海水產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)。上升流可把深水區(qū)大量的海水營(yíng)養(yǎng)

3、物質(zhì)沿海山向上輸送，為海洋生物提供了豐富的養(yǎng)料，從而吸引大量海洋生物在此聚集，使得海山極有可能成為魚類豐富的天然漁場(chǎng)。由此可見，如果對(duì)海山的水平繞流與上升流進(jìn)行研究，得到其流動(dòng)機(jī)制，那么對(duì)于海山周圍魚類等生態(tài)資源的開發(fā)有著顯而品見的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，海域遼闊，島礁資源豐富，尤其以南海為甚。島礁的開發(fā)與建設(shè)，需考慮海洋環(huán)境與生態(tài)情況，其中海水流動(dòng)是一項(xiàng)重要的因素。作為海山附近重要的流動(dòng)形態(tài)之一，水平繞流與上升流的研究對(duì)島礁資源的合理開發(fā)有著現(xiàn)實(shí)意義。尤其是以海山水平繞流與上升流這種基本的流動(dòng)作為切入點(diǎn)

4、，以流體力學(xué)的角度對(duì)其進(jìn)行模擬分析，具有重要的基礎(chǔ)研究意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀由甜文可知，作為一種重要的海水流動(dòng)形態(tài)，海山的水平繞流與上升流不僅對(duì)于海山周邊的生態(tài)與物理環(huán)境有著極其重要的影響，而且對(duì)島礁資源幵發(fā)有著顯著的促進(jìn)意義，極具研究?jī)r(jià)值。為此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開展了海山繞流及相關(guān)流動(dòng)的基礎(chǔ)性研究工作。事實(shí)上，從流體力學(xué)視角，海山附近的流動(dòng)可近似為柱體繞流問題。有鑒于此，在接下來的章節(jié)中，相關(guān)的二、三維圓柱繞流方面的研究進(jìn)展也將被提及。對(duì)于高雷諾數(shù)下的矩形柱繞流研究，各類模擬方法被廣泛應(yīng)用。Kim等利用大禍

5、模擬（LES)的方法研究了雷諾數(shù)時(shí)的方柱，分別將方柱固定在狹小通道和無(wú)界計(jì)算域中。通過比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)柱體位于狹小通道中時(shí)，由于固壁邊界的存在，阻力值有著增大現(xiàn)象。Tamura和Ono?用LES方法分析瑞流中柱體空氣彈性變形的穩(wěn)定性問題。Koutmos等對(duì)方柱尾流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究。Amit等使用LBM方法對(duì)并列雙方柱的繞流問題進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了兩個(gè)方柱后面的尾流結(jié)構(gòu)特征。在早期的實(shí)驗(yàn)觀察中，研究者就己發(fā)現(xiàn)圓柱繞流并不是單純的二維流動(dòng)，而是存在復(fù)雜的三維流動(dòng)現(xiàn)象。Honii等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，圓柱體的振蕩流動(dòng)有時(shí)

6、呈現(xiàn)為二維特征而有時(shí)又表現(xiàn)為三維特征。進(jìn)一步的觀察顯示，流動(dòng)過程中會(huì)在圓柱體兩側(cè)形成沿圓柱軸向等間距交錯(cuò)排列的三維禍結(jié)構(gòu)。Sarpkaya在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了三維禍結(jié)構(gòu)，并把這種從二維到三維流動(dòng)的演化稱為HonjiInstability。Zhang采用混合有限差分和譜的方法對(duì)圓柱三維繞流問題進(jìn)行了研究，數(shù)值模擬同樣給出了圓柱繞流從二維到三維流動(dòng)狀態(tài)的演化。2數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方2.1數(shù)學(xué)模型描述由于海山環(huán)境的復(fù)雜性及所處位置的特殊性，且受計(jì)算資源的限制及條件限制，本文目前還無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究以及對(duì)真實(shí)環(huán)境下的海山進(jìn)行數(shù)值

7、模擬。因此，在進(jìn)行數(shù)值模擬的過程中，本文釆用了兩種數(shù)學(xué)模型，分別為非浸沒海山模型（見圖2-1)和浸沒海山模型（見圖2-2)。在確定計(jì)算域大小及海山模型結(jié)構(gòu)特征尺寸時(shí)，為了盡可能的模擬真實(shí)海山尺寸，結(jié)合前文對(duì)海山的基本介紹，兩種類型海山均選取計(jì)算域大小為24x12x0.5。對(duì)于非浸沒海山，確定海山頂部直徑為0.5，底部直徑為1,特征高度為0.5。對(duì)于浸沒海山，確定海山頂部直徑為0.75，底部直徑為1，特征高度為0.25。特別說明的是，海山底部直徑即為本文使用的特征長(zhǎng)度⑴，即1=1。本研究的計(jì)算域入口邊界條件為速度

8、入口（vdocity-inlet),出口邊界條件為outfloPLE算法。有限體積法基本思路是將計(jì)算區(qū)域劃分成若干個(gè)互不重迭的正方形或矩形控制體，每個(gè)控制體包含一個(gè)計(jì)算格點(diǎn)，并將連續(xù)方程和動(dòng)量方程在每一個(gè)控制體積上進(jìn)行積分，便可獲得一組包含了計(jì)算格點(diǎn)變量值的離散方程。用該方法所得的離散方程表示了在有限控制體積上該變量的守恒原則。SIMPLE算法屬于以壓力為基本變量的半隱式原始變量法，其