不同涡粘性湍流底边界层特征量研究

• 作 者: 纪艳菊
• 出 处: 中国科学院研究生院（海洋研究所）
• 发表日期: 2014年01期
• 关键词: 固体悬浮液 变换场方法 底边界层 涡粘性 Coriolis参数

湍流底边界层的物理性质和动力过程十分复杂，其水动力特征对于海洋工程、海洋生物等学科具有重要的研究意义和应用价值。但是由于其特殊的地理位置和复杂的动力系统，观测数据和理论模型非常难获得，一直是物理海洋学、海洋环境工程及生物学研究的热点之一。本论文主要的工作：一方面从理论上研究了海底悬浮液的有效粘性的消减机制；另一方面通过建立两种新的涡粘性参数化形式，建立湍流底边界层动力系统的理论模式并得到其解析解。研究内容可分为三个方面：1.在高浓度悬浮液的条件下，利用变换场理论，根据Stokes方程，研究了悬浮液的有效粘性随颗粒尺度的变化特征。统计结果表明：一定的颗粒浓度下（中或高），在一个元胞内增加颗粒的尺度或者减少单位体积内的颗粒数量，可大幅度地减小固体悬浮液的有效粘性。本工作揭示了固体颗粒尺度的变化可控制悬浮液的有效粘性的机制。2.给出新的参数化垂直涡粘性的三次多项式形式az2(1z/d)，基于简化的Navier–Stokes方程，利用超几何函数的方法，得到了湍流粗糙底边界层的动力系统的解析解。另外，推导出湍流底边界层的其他的动力参数，如底剪应力，Ekman传输，Ekman抽吸及近底部速度分布场，从理论上研究了湍流底边界层特征量的分布特征。进一步，通过数值结果的分析，得出底边界层的总速度，亏损速度及其剪应力受平均流的角频率和地球自转影响比较大；而底边界层的动力结构对于底边界层顶部粗糙度不敏感。3.推导出在另一个新的涡粘性形式az (1z/d)2下的湍流底边界层的动力系统的解析解。并且通过数值分析得到：湍流底边界层的速度剖面同样对于平均流的角频率和地球自转影响之比依赖性较大；但是对于底边界层顶部粗糙度不敏感。通过和潮流的实际观测数据对比，在速度的振幅上拟合基本一致。本论文的工作从理论上研究了湍流边界层涡粘性的影响机制和参数化形式，是研究底边界层的动力影响因素重要的手段和方法。