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《南京信息工程大学》 2011年
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非均匀风场对水动力涡旋的驱动效应模拟研究

冯呈呈  
【摘要】:涡旋运动作为流体运动中的重要组成部分,广泛的存在于大气、海洋、湖泊等各种流体之中。如大气中的温带气旋、极涡、西南低涡、梅雨锋系低涡、中小尺度对流性涡旋、台风、以及海洋中尺度涡旋、湖泊河流中的涡旋等。涡旋不仅改变流体自身的运动情况,还影响流体中的物质输送及能量传递等,涡旋的生成维持与消亡,涡旋的相互作用构成了大气海洋的流体运动学和动力学特征,表现为大气环流以及海洋环流的各种尺度系统时空状态,因此,对涡旋内部三维结构的分析、对涡旋强迫生成因子的探究、对涡旋间的相互作用、涡旋与环流间的相互作用的调查等是大气、海洋、湖泊环流动力机制与动力特征研究内容的重点。 本文内容来源于国家自然科学基金项目《海洋上层混合层中朗缪尔环流的动力特征研究》,着眼于大气对水环境的强迫与大气水环境之间的相互作用,运用物理实验和数值模式等手段分析对比非均匀风场对水动力涡旋的驱动效应,对风生涡旋以及次生的二级环流结构特征和涡旋三维运动学动力学性质进行了深入研究。 运用物理实验的方法,分析各种特定的典型非均匀风场驱动的水动力涡旋表面结构、分布模态和相应特征。物理实验对复杂的自然环境进行简化,突出其中的主要影响因子的作用,并可以对主要影响因子进行线性和非线性叠加,特别是能够针对典型环境事例进行重复验证。因此物理实验对涡旋研究是一种重要方式。研究实验中开发了表层风波流场测量技术,采用近景测量的方式,定量化地记录非均匀风场驱动的风波流水动力涡旋表面运动特征,通过数值化图像处理,包括图像标定、图像识别、尺度标定等一系列步骤,获得特定非均匀风场驱动的水动力涡旋的表面结构以及系列涡旋配置的典型流场模态。 通过数值模式的模拟,精细化地验证了涡旋形态与环流模态,特别是三维结构及次生二级环流动力特征。本文使用无结构三角网格以及有限体积法的FVCOM区域海洋模式模拟特定非均匀风场下的涡旋的运动情况。该模式基于三角形网格,采用有限体积方法,由三维(3D)预报、原始方程组构成的区域海洋数值模式,综合了现有海洋研究中的有限差分方法和有限元模型的优点,在数值计算中既可以像有限元模型一样较好的拟合浅海及岸界,又便于计算离散差分原始动力学方程组,从而保证了较高的计算效率。并且模式可以模拟河流径流,便于进行风生涡旋与径流驱动涡旋的比较。 通过对比分析物理实验和数值模拟的非均匀风场驱动的水动力涡旋结构特征与环流模态,获得以下结论: (1)定量测量的物理实验显示,对应于不同的非均匀风场的驱动,存在有不同的水动力涡旋表面流场模态,在非均匀风场较稳定时,相应的涡旋模态可以维持较长的一段时间,并能够在实验中重复出现。当风场呈现出中间强两边弱的风速切变形势时,水面流场在强风场对应的部分出现急流,至水槽边缘受到阻挡向两边弱风区移动返回,形成流向相反的两个涡旋;当风场呈现边缘强中间弱的分布形势时,水体响应风场,在水槽边缘沿风场方向运动,在水槽中部弱风区形成逆流,构成与前—模态相反的两个相互反向涡旋;当风场呈现强弱相间的分布形式时,在风速大的区域出现急流,在风速小的区域出现显著逆流,构成多个涡旋并列的流场。这些结果与南海季风涡旋度以及强迫的南海中尺度涡旋形态十分相似。 (2)物理实验获得的水动力涡旋的表面结构还显示,水体对风场的响应十分敏感。模态转换可能发生在风场的非显著变化情况下。此外并列环流的辐合区流向一致,以急流的形式出现,速度较大。在急流附近,具有较强的流速切变。并列环流的辐散区环流较弱,流动路径规则性减弱。造成涡旋不同部位的强度差异,导致不同部位对涡旋性质的显著代表性的差异。水体流速与风场速度大致相差两个量级。 (3)数值模式的模拟,获得非均匀风场驱动的水动力涡旋的三维结构特征,并与物理实验结果匹配。模拟的表层水位变化,正涡旋处水位降低,负涡旋处有水位的增高。水平涡旋的辐合辐散造成抽吸作用,有利于在垂直方向上形成二级环流。 (4)径流驱动的环流相比较风场驱动的环流尺度小,形态随时间扩散变化。受径流强度影响,涡旋尺度与径流强度成正比,表层水平分量强,下层水平分量减弱,垂直分量随高度逐渐增强。径流驱动的涡旋与风驱动的涡旋不同之处是前者为均匀密度流体内部因流动垂直切变造成,如龙卷风等;后者为不同密度流体(大气与海洋或水体)间的相互作用形成的高低压环流涡旋。 (5)物理实验中对表面环流定量测量技术的开发,可以实现在风波流同时存在的复杂流场表面进行流速定量测量。克服了随机流场表面非入侵式光学测量因波动散射而难于进行的困难。
【学位授予单位】:南京信息工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P433

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