海山水平绕流与上升流

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1、海山水平绕流与上升流1绪论1.1研究背景及意义海山是整个海洋地貌重要的组成部分，多数海山是由死火山形成，从海底向上突出1000至4000米。常见的海山形态可按照地貌形态和构造特征分为两大类：平顶型海山和尖峰型海山⑴。平顶型海山的山体规模较大，在长时间的发展过程中，其露出海面的山体遭受了严重的风化剥烛。剥烛的作用使得露出海面山体逐渐演化成为了大规模的山顶平台，后可沉没水下，形成平顶型海山。平顶型海山的山顶平台直径一般在5000?9000米，基座为10000?20000米[1]。下图1-1给出的是平顶型海山形成过程

2、的示意图，可以较为清晰地看出海山由最初的海洋喷发火山逐步变为平顶型海山的过程。区别于平顶型海山，尖峰型海山的山体尺寸较小。由于尖峰型海山的山体一般未能露出海面或者露出海面的山体遭受风化剥烛时间较短，所以未能形成大规模的山顶平台。如下图1-2所示，可以明显的看出平顶型海山的山体规模较尖峰型海山要大的多。由于海山独特的形态结构，海山会对其周围海水的流动产生：重要影响。海山周围海水的典型流动形态主要有海山的水平绕流、上升流及下降流。水平绕流与上升流之间的相互作用，会导致海水产生剧烈扰动。上升流可把深水区大量的海水营养

3、物质沿海山向上输送，为海洋生物提供了丰富的养料，从而吸引大量海洋生物在此聚集，使得海山极有可能成为鱼类丰富的天然渔场。由此可见，如果对海山的水平绕流与上升流进行研究，得到其流动机制，那么对于海山周围鱼类等生态资源的开发有着显而品见的经济价值。我国是一个海洋大国，海域辽阔，岛礁资源丰富，尤其以南海为甚。岛礁的开发与建设，需考虑海洋环境与生态情况，其中海水流动是一项重要的因素。作为海山附近重要的流动形态之一，水平绕流与上升流的研究对岛礁资源的合理开发有着现实意义。尤其是以海山水平绕流与上升流这种基本的流动作为切入点

4、，以流体力学的角度对其进行模拟分析，具有重要的基础研究意义。1.2国内外研究现状由甜文可知，作为一种重要的海水流动形态，海山的水平绕流与上升流不仅对于海山周边的生态与物理环境有着极其重要的影响，而且对岛礁资源幵发有着显著的促进意义，极具研究价值。为此，国内外许多学者开展了海山绕流及相关流动的基础性研究工作。事实上，从流体力学视角，海山附近的流动可近似为柱体绕流问题。有鉴于此，在接下来的章节中，相关的二、三维圆柱绕流方面的研究进展也将被提及。对于高雷诺数下的矩形柱绕流研究，各类模拟方法被广泛应用。Kim等利用大祸

5、模拟（LES)的方法研究了雷诺数时的方柱，分别将方柱固定在狭小通道和无界计算域中。通过比较发现，当柱体位于狭小通道中时，由于固壁边界的存在，阻力值有着增大现象。Tamura和Ono?用LES方法分析瑞流中柱体空气弹性变形的稳定性问题。Koutmos等对方柱尾流进行了实验和计算研究。Amit等使用LBM方法对并列双方柱的绕流问题进行了数值模拟,分析了两个方柱后面的尾流结构特征。在早期的实验观察中，研究者就己发现圆柱绕流并不是单纯的二维流动，而是存在复杂的三维流动现象。Honii等在实验中发现，圆柱体的振荡流动有时

6、呈现为二维特征而有时又表现为三维特征。进一步的观察显示，流动过程中会在圆柱体两侧形成沿圆柱轴向等间距交错排列的三维祸结构。Sarpkaya在实验中也发现了三维祸结构，并把这种从二维到三维流动的演化称为HonjiInstability。Zhang采用混合有限差分和谱的方法对圆柱三维绕流问题进行了研究，数值模拟同样给出了圆柱绕流从二维到三维流动状态的演化。2数学模型及数值方2.1数学模型描述由于海山环境的复杂性及所处位置的特殊性，且受计算资源的限制及条件限制，本文目前还无法进行实验研究以及对真实环境下的海山进行数值

7、模拟。因此，在进行数值模拟的过程中，本文釆用了两种数学模型，分别为非浸没海山模型（见图2-1)和浸没海山模型（见图2-2)。在确定计算域大小及海山模型结构特征尺寸时，为了尽可能的模拟真实海山尺寸，结合前文对海山的基本介绍，两种类型海山均选取计算域大小为24x12x0.5。对于非浸没海山，确定海山顶部直径为0.5，底部直径为1,特征高度为0.5。对于浸没海山，确定海山顶部直径为0.75，底部直径为1，特征高度为0.25。特别说明的是，海山底部直径即为本文使用的特征长度⑴，即1=1。本研究的计算域入口边界条件为速度

8、入口（vdocity-inlet),出口边界条件为outfloPLE算法。有限体积法基本思路是将计算区域划分成若干个互不重迭的正方形或矩形控制体，每个控制体包含一个计算格点，并将连续方程和动量方程在每一个控制体积上进行积分，便可获得一组包含了计算格点变量值的离散方程。用该方法所得的离散方程表示了在有限控制体积上该变量的守恒原则。SIMPLE算法属于以压力为基本变量的半隐式原始变量法，其