蒙特利峽谷底邊界層湍流特征分析.pdf

1、海洋中存在各種尺度的運動,通常能量的傳遞都是從大尺度到小尺度,最后以湍流運動的形式耗散。湍流是不同于層流且漫無規(guī)則的小尺度混亂運動,廣泛存在于大氣、海洋和工程技術(shù)等領(lǐng)域的流體運動中。湍流結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,在時間和空間上具有間歇性、隨機性、高渦度性、高非線性,在流體中產(chǎn)生強混合擴散效應(yīng)。由于湍流的這些特殊性質(zhì),湍流很難直接觀測,缺乏大范圍、長時間的連續(xù)觀測資料,湍流的結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生機制尚不清晰。基于海洋科學對湍流長期觀測的需要,本文利用2011年

2、4月24日到10月25日期間,蒙特利峽谷底邊界層內(nèi) ADV連續(xù)觀測流速數(shù)據(jù),分析峽谷底邊界層內(nèi)流速變化規(guī)律,估算湍流特征量,分析湍流特征。
　　ADV實測的每分鐘平均流速數(shù)據(jù)分析表明,在蒙特利峽谷底邊界層內(nèi)存在很強的流動,平均流速可達0.398m/s。峽谷底部潮流屬于逆時針旋轉(zhuǎn)潮流系統(tǒng),具有半日周期和全日周期的變化特征,其中半日周期占主導。日平均的流速數(shù)據(jù)譜分析和小波分析結(jié)果表明,峽谷底部潮流在5月和8月存在近似15天和5天的顯著

3、周期,6月、10月等時間段存在大約2-4天的顯著周期。蒙特利峽谷底邊界層內(nèi)流速日平均和月平均數(shù)據(jù)顯示,5月峽谷底部流速達到最大值,9月和10月流速變?nèi)?水平方向流動多為西向和南向流動,垂直方向長期存在著上升流;觀測期間4月到6月水平方向流動表現(xiàn)為南向流強于西向流,之后西向流速增大,超過南向流。
　　蒙特利峽谷底邊界層內(nèi),水流紊動特征表現(xiàn)為脈動速度分量一階矩近似符合高斯標準正態(tài)分布,剪切應(yīng)力相關(guān)的二階協(xié)方差項分布表現(xiàn)為高鋒態(tài)正偏特征

4、,湍流動能相關(guān)的二階方差項分布表現(xiàn)為高鋒態(tài)負偏特征。在流速最小時刻,利用'w和''u w的時間自相關(guān)函數(shù)曲線的第二個峰值近似模擬出的湍流猝發(fā)周期分別為5.5s和3s;在流速最大時刻,模擬出的湍流猝發(fā)周期分別為2.5s和2s;流速中間時刻,自相關(guān)函數(shù)曲線無明顯的峰值。
　　湍流特征研究發(fā)現(xiàn),蒙特利峽谷底邊界層內(nèi)湍流存在明顯的各向異性。脈動強度的水平分量與垂直分量相差一個數(shù)量級;湍流摩擦速度和拖曳系數(shù)日平均的變化范圍是6.50×10-

5、3-2.32×10-2 m/s和6.30×10-3-4.36×10-2,月平均最小值發(fā)生在7月;湍流耗散率一個周日內(nèi)變化可達2-3個數(shù)量級,觀測期間變化范圍是1.09×10-8-6.62×10-5 W/kg。底邊界層內(nèi)湍流特征量存在顯著的周期變化,在一個周日內(nèi)都以半日周期占優(yōu);湍流脈動強度和耗散率存在全日周期和三分之一日周期,湍流耗散率還表現(xiàn)出四分之一日周期特征;摩擦速度和拖曳系數(shù)存在全日周期和四分之一日周期。脈動強度、摩擦速度和拖曳系