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AMS封面文章杨延涛最新研究成果:从实验室模拟到海洋盐指型双扩散对流

  
发布时间:2022-08-12 09:13:07 来源:bob天博 作者:bob天博官网
  

  利用大规模直接数值模拟,研究扩散对流湍流中不同组分普朗特数和施密特数对盐指型流动结构和混合输运规律的影响。

  所得结果对基于数值模拟和实验数据发展可用于描述海洋双扩散对流热量和盐度输运规律的参数化模型具有重要的意义。

  湍流运动在海洋中无处不在,从大尺度洋流系统,到中尺度旋涡,再到小尺度混合过程,其中都有湍流现象的存在。海洋湍流运动直接影响海水中热量和物质的分布与输送,并进一步通过海洋-大气相互作用影响气候和天气变化,因而研究海洋中的混合和输运过程具有重要的意义。

  海洋环境中海水密度主要受温度和盐度的影响,温度和盐度的不均匀分布会导致丰富的浮力驱动下的对流湍流现象。由于温度和盐度的分子扩散率相差两个量级,温盐共同驱动下会发生所谓的双扩散对流现象。在热带和亚热带的上层海水中,海水温度和盐度往往随深度增加而下降,由此温度梯度和盐度梯度引发的双扩散对流被成为盐指型双扩散对流。盐指型双扩散对流已经在众多海域被观测到,是影响这些区域热量和盐度在不同深度间输运和混合的重要物理过程。发展基于平均温盐剖面的热流、盐流参数化模型是盐指型双扩散对流的核心关键问题之一。

  海洋观测虽然能够提供关键的测量数据,但是很难给出完整的流动信息,因而实验和数值模拟是重要的研究手段。由于实验条件的限制,以及浓度场的大施密特数特性,众多实验和计算采用其他组分代替温度和盐度,即具有不同于真实海水的普朗特数和施密特数。这导致将实验和计算结果应用于海洋环境时,必须明确普朗特数和施密特数的影响。本研究利用组内发展的针对大施密特数流动的高效数值模拟程序,分析不同普朗特数和施米特数对盐指型双扩散对流典型流动结构和输运特性的影响,给出了不同物性参数下盐流、热流和流动速度随瑞利数的变化规律,对利用实验和模拟数据对海洋观测结果进行参数化描述有重要的参考意义。

  图1中展示了不同物性参数下盐流、热流和流动速度随瑞利数的变化规律。结果表明这三个物理量随盐度场瑞利数都表现出明显的幂律标度率变化行为。但是盐流同时受普朗特数和施密特数的具体取值影响,而热流和雷诺数的变化规律主要受施密特数和普朗特数比值的影响。

  图1 不同普朗特数和施密特数下的流动传输特性随瑞利数变化规律。a:盐流;b:热流;c:流动雷诺数。括号中给出普朗特数和施密特数的不同取值。

  图2中展示了瑞利数为 1012 时不同物性参数下的典型流动结构结构。可以看到不同普朗特数和施密特数时流动结构非常类似,即流场中充满细长的、沿竖直方向分布的盐指结构。图3显示盐指结构的特征长度尺度随物性参数的不同而呈现明显的变化。但是,盐指宽度随瑞利的变化趋势非常相似,且符合线性稳定性分析给出的最快增长模态的波长变化行为。

  图2 :不同物性参数在瑞利数 1012 时的盐指流动结构;三张图片从左至右普朗特数和施密特数依次为 (1, 100),(7, 70) 和 (7, 700)。

  本研究由国家自然科学基金(91852107和91752202)资助。了解更多文章信

  原标题:《AMS封面文章杨延涛最新研究成果:从实验室模拟到海洋盐指型双扩散对流》


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