【提要: 内波在传播过程中会激发复杂流场, 从而增强水体的紊动, 对海洋以及湖库底部沉积物的输运以及打破水体密度分层起到重要作用. 最近的一项关于内孤立波波列的水动力特性研究可为湖库水环境保护提供新思路. 该研究发表于《中国科学: 物理学, 力学, 天文学》2014年第6期. 】

最近的一项研究表明, 内孤立波波列在传播过程中会激发复杂的底部边界层流态, 增强了分层水体的紊动掺混, 为海洋和湖库内波对底部沉积物的输运机理及其环境效应研究提供了线索.

这项名为《内孤立波的生成和传播特性大涡模拟》研究论文发表于《中国科学: 物理学 力学天文学》英文版2014年第6期, 从三维高精度数值模拟角度初步观察了内孤立波波列传播过程中的水动力特征, 由河海大学水利水电学院王玲玲教授担任通讯作者撰写.

水温分层多发于海洋和大型湖泊水库之中, 所导致的水体密度层化将会抑制氧气及营养物质的垂向输运, 使底层水体的含氧量减少, 水环境恶化. 然而, 水体的稳定分层恰恰是形成内波的必要条件之一. 内孤立波波幅通常比表面波波幅大1～2个数量级, 中科院李家春院士曾形象地比喻内波为深水混合的“搅拌器”. 如此大振幅、高能量的内孤立波是如何影响水环境的呢? 探索内孤立波水动力特性很有必要.

国内外现有研究大多针对于单个内孤立波的水动力特性, 而在真实的海洋和湖库环境中, 内孤立波波列的发生更加频繁. 本研究的创新之处在于: (1) 利用一种新型大涡模拟模型(动力拟序涡黏模型)成功捕捉到内孤波完整的生成以及传播过程, 并且分析了内孤立波波列底部边界层水动力特征. (2) 与单个内孤立波不同的是, 对于内孤波波列, 其首个内孤波下游波面底部没有出现分离泡(如图1). 研究结果还表明内孤立波的底部流速特征类似于壁面射流, 增强了壁面切应力, 从而加强了内波流场对底部沉积物的输运. 研究发现分离泡的高度约为总水深的25%左右, 因此能够增强湖库底部水体的紊动和混合强度.

图1 内孤波波列流线图和局部流速矢量图. (a) 内孤波波列流线; (b)分离泡; (c)壁面射流

Figure 1. Streamlines and velocity vector fields of an internal solitary wave packet. (a) Streamlines; (b) separation bubble; (c) boundary jet.

该研究成果对分层湖库水动力以及湖库底部沉积物输运机理研究具有参考价值, 此外, 还可为湖库水环境保护和水生态可持续发展提供重要的理论依据.

研究得到了国家自然科学基金资助项目(批准号: 51179058), 国家自然科学重点基金项目(批准号:51239003), 水利部公益性行业科研专项经费项目(批准号:201201017), 江苏省111项目(批准号:B12032), 江苏省普通高校研究生科研创新计划(批准号: CXZZ12_0244)资助.

来源论文:

ZHU Hai, WANG LingLing, TANG HongWu.Large-eddy simulation of the generation and propagation of internal solitary waves. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2014, 57(6): 1128-1136.

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