湍流数值模拟中封闭模式应用的局限性

通过对琼州海峡的潮流场特征进行数值模拟，指出了选择不同的特征混合长度表达式对数值模拟结果的影响，表明了基于特征混合长度理论的流封闭模式在近海湍流数值模拟中应用的局限性。     

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。     

基于混合有限分析法的三维浅海湍流模型及验证

文章以具有自由表面的三维非线性Navier-Stokes方程组为基本控制方程,垂向采用σ坐标变换后得到三维浅海湍流数学模型。数值模拟求解方法采用具有自动迎风、精度高及稳定性好的混合有限分析法求解,最后,以渤海湾潮流模拟算例验证了文中模型及其混合有限分析解法模拟潮流的正确性和应用于工程实际问题的适用性。     

南海北部中尺度反气旋涡的湍流混合空间分布特征

文章利用GHP细结构参数化方法和Thorpe-scale方法,分析水下滑翔机于2015年5月在南海北部采集的数据,估算了南海北部中尺度反气旋涡的湍流混合空间分布特征。结果显示该反气旋涡的混合具有明显的空间非对称性,混合率在其运动方向的后侧边缘明显增强达到O(10^-3 m²/s)量级;而在其运动方向的前侧边缘,平均混合率要小一个量级。这一混合非对称特征与中尺度的涡动能密切相关性。中尺度涡后侧边缘处存在高流速剪切,容易引起垂向剪切不稳定,可能是引起该处混合增强的主要因素。另外,中尺度涡后侧边缘发展的次中尺度过程同样导致了该处强混合。本研究结果有助于人们进一步认识南海北部的混合过程。     

不同边界层稳定性下海气湍流热通量日变化的前沿问题探讨

海气湍流热通量(潜热和感热)是研究海气相互作用和大洋环流的关键要素, 认识其变化机理对理解“海洋动力过程及气候效应”有重要意义。然而, 受观测手段和计算能力两方面的限制, 过去对海气湍流热通量日变化研究存在“特征认识较粗、机制理解较疏”的现象。本文探讨了在不同边界层稳定性下海气湍流热通量日变化研究中的问题与难点, 并讨论了“不同边界层稳定性下海气湍流热通量日变化过程和机理”这一关键科学问题。本文提出, 可基于海洋浮标、平台和波浪滑翔机等综合观测数据和高时空分辨率再分析资料, 利用块体算法和脉动分离方法, 揭示全球海气湍流热通量的精细化日变化特征和决定因素, 以及海气湍流热通量日变化强度(日内小时级变化的标准差)与极端天气过程和气候事件的动力关联。同时, 为更精准认识日变化过程, 在技术上可通过耦合高频海表流速和校正边界层物理参数观测高度等方式提升海气湍流热通量估算的精确度。本文提出可将多时空尺度海气湍流热通量变化维度转换到边界层稳定性上, 以便集中认识其日变化特征和机理, 支撑全球海气能量平衡的科学认识。     

基于数值模式评估细尺度参数化方案在南大洋背风波生成源地的适用性

验证基于GM(Garret-Munk)大洋内波普适谱的细尺度参数化方案在不同海域的适用性,对于湍流混合研究来说非常重要。包含背景GM内波场的高分辨率数值模式被用于评估细尺度参数化方案在背风波生成源地处的适用性。细尺度参数化方案主要包括基于剪切的G89 (Gregg 1989)方案、基于应变的W93 (Wijesekera 1993)方案、基于剪切和应变的GHP (Gregg-Henyey-Polzin)方案以及对GHP方案中的频率矫正项作出变换的IH (Ijichi-Hibiya)方案。计算结果显示,背风波的生成伴随着海底上方近惯性内波的增强,使得内波场的动能与势能的比值相较于GM内波场偏大。在这种情况下,基于剪切的G89方案会因为高估内波场的总能量而高估耗散率。反之,基于应变的W93方案会因为低估内波场的总能量而低估耗散率。计算结果还显示,已经考虑了内波谱变形的GHP方案仍然会高估耗散率,但IH方案能比较准确地估算耗散率。     

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^-9m²∙s^-3, 涡扩散系数量级为10^-4~10^-3m²∙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。     

斜压海洋动力学的一种三维数值模式──Ⅱ.温度、盐度和垂直涡动粘性系数的计算

根据海水温度和盐度平流扩散方程给出一种数值计算方案并采用混合长度理论给出垂直涡动粘性系数的计算方法。对于温度和盐度方程,其平流过程采用了Lax－Wendroff格式,水平扩散采用显格式,垂直扩散采用隐格式。时间步长主要受平流过程的Courant-Friedrichs-Lewy条件限制。垂直涡动粘性系数计算依据Prandtl混合长度理论,并考虑了海水层化的抑制作用,因而其数值与流场及密度场结构有关。温度、盐度及垂直涡动粘性系数的计算与动力方程中内模态的计算同步进行。应用本模式模拟渤、黄、东海由潮流、密度流和风海流迭加而成的综合海流,得出了良好的结果。     

基于一维扩散方程反演温度垂直扩散系数的变分方法

Diapycnal mixing is important in oceanic circulation. An inverse method in which a semi-explicit scheme is applied to discretize the one-dimensional temperature diffusion equation is established to estimate the vertical temperature diffusion coefficient based on the observed temperature profiles. The sensitivity of the inverse model in the idealized and actual conditions is tested in detail. It can be found that this inverse model has high feasibility under multiple situations ensuring the stability of the inverse model, and can be considered as an efficient way to estimate the temperature diffusion coefficient in the weak current regions of the ocean. Here, the hydrographic profiles from Argo floats are used to estimate the temporal and spatial distribution of the vertical mixing in the north central Pacific based on this inverse method. It is further found that the vertical mixing in the upper ocean displays a distinct seasonal variation with the amplitude decreasing with depth, and the vertical mixing over rough topography is stronger than that over smooth topography It is suggested that the high-resolution profiles from Argo floats and a more reasonable design of the inverse scheme will serve to understand mixing processes.     

基于“黑格比”和“灿都”台风期间湍流数据的曳力系数和动力粗糙度长度参数化研究*

海面的曳力系数和空气动力学粗糙度长度是计算海气动量、感热和水汽通量交换必需的参数。基于在“黑格比”和“灿都”台风期间收集的涡动相关系统观测数据, 文章研究了10m风速和摩擦速度之间、10m风速和曳力系数之间、以及10m风速和动力粗糙度长度之间的参数化关系。结果表明: 曳力系数和摩擦速度及10m风速之间存在抛物线关系, 动力粗糙度长度与摩擦速度及10m风速之间存在自然指数关系; 临界摩擦速度为0.83m·s^-1, 临界10m级风速为23.69m·s^-1。     

Influence of Turbulence Intensity and Turbulence Length Scale on the Drag, Lift and Heat Transfer of A Circular Cylinder

Influence of the turbulence intensity and turbulence length scale on the hydrodynamic characteristics and heat transfer of a circular cylinder, streamlined by a viscous fluid flow, is numerically studied. We take the Reynolds number of the oncoming flow equal to 4×10⁴, the turbulence intensity Tu_f and the dimensionless turbulence length scale L_f varying from 1.0% to 40% and from 0.25 to 4.0, respectively. We confirmed that the increase of Tu_f leads to the suppression of the periodic vortex shedding from the cylinder surface, and as a result the stationary mode of streamlining is formed. Consequently, with the increasing turbulence intensity directly in front of the cylinder Tu^*, the amplitude of the lift coefficient decreases monotonically. Nevertheless, the time-averaged drag coefficient of the streamlined cylinder decreases at Tu^*<6.0%, and increases at Tu^*>9.0%. The dependence of the average Nusselt number on Tu^* is near-linear, and with the increasing turbulence intensity, the Nusselt number rises. However, the change of the average Nusselt number depending on L_f is non-monotonic and at L_f=1.0, the value reaches its maximum.     

水平螺旋槽管壁面液膜传热特性的研究

对管式高效传热传质元件的工程应用进行理论探讨,根据水平螺旋槽管壁面液膜的形成机理及传热特性,通过建立单组分流体的物理和数学模型,得到了液膜速度和厚度解析解,并分析了在蒸发、冷凝时水平螺槽管的表面几何形状对液膜厚度分布的影响。结果表明：液膜的厚度主要受表面张力和槽道表面几何形状的影响,在槽道内弯处较厚,而在槽道起始处较薄,冷凝时与蒸发时相比液膜厚度更薄,液膜分布更均匀。相对于光滑直管,水平螺旋槽管壁面液膜具有更均匀的厚度分布,具有更好的传热传质性能。