【摘要】：為了研究洋中脊處海底煙囪噴出的熱液柱的動力學(xué)特征以及其與周圍海水之間的關(guān)系,在實驗室內(nèi)對熱液柱的演化過程進(jìn)行了實驗?zāi)M研究。在實驗設(shè)計中,采用底部點源提供熱通量的方法觸發(fā)熱液柱,使用粒子圖像測速技術(shù)(Particle Image Velocimetry——PIV)獲取速度信息,高靈敏度熱敏探頭采集溫度信息。通過瞬時速度場分析熱液柱的運動特征以及其與周圍層結(jié)背景環(huán)境之間的卷挾過程。實驗表明,層結(jié)的背景環(huán)境阻礙了熱液柱的垂向上升以及水平延伸。層結(jié)的背景條件下,在熱液柱發(fā)展演化的整個過程中,其呈現(xiàn)出明顯的振蕩特征,且振蕩頻率(0.10—0.35rad/s)與背景環(huán)境的浮力頻率(0.20—0.30rad/s)數(shù)值相當(dāng)。熱液柱與周圍純水之間存在強(qiáng)混合,發(fā)現(xiàn)在熱液柱的熱源處和頂部的混合最為強(qiáng)烈,中性浮力層高度以下是熱液柱與周圍純水混合的主要區(qū)域,混合強(qiáng)度以卷挾系數(shù)α表征,α值從 0.30到0.13之間變化,大致隨著高度的增加而減小。通過瞬時速度場分析得到熱液柱的湍流耗散率ε,發(fā)現(xiàn)在垂直方向上,其"頸部"的耗散最強(qiáng),沿水平方向上,其中心處的耗散最大,向四周逐漸遞減,呈現(xiàn)高斯分布。
【圖文】：

1428海洋與湖沼48卷2048×2048像素,后處理計算窗取32×32像素,并有50%的重疊率,因此獲得的速度場矢量數(shù)為128×128。為了獲得更高的速度場分辨率,對熱電阻上方兩個不同的區(qū)域同時進(jìn)行PIV測量(如圖1所示),拍攝區(qū)域一的范圍為56×56mm,拍攝區(qū)域二的范圍為122×122mm。圖1實驗裝置、溫度探頭位置以及PIV測量區(qū)域Fig.1Schematicdiagramoftheexperimentalsetup,thepositionofthethermistorsandthePIVmeasurementarea初始背景水體層結(jié)通過對上下底板設(shè)置不同溫度來形成。設(shè)置上下底板溫度分別為40°C和16°C,通過12小時的靜置,水體由于熱傳導(dǎo)而形成如圖2a)的垂向溫度分布,通過狀態(tài)方程計算水體的密度分布,從而得到表征背景水體層結(jié)的浮力頻率N,1/2N[(g/)(d/dz)](1)式中g(shù)、ρ是重力加速度和水體密度,其計算結(jié)果如圖2b所示,背景水體浮力頻率約為0.2—0.3rad/s(熱液柱發(fā)展過程中高度范圍)。圖2初始背景水體垂向溫度(a),相應(yīng)的浮力頻率(b)Fig.2Verticalprofileoftemperature(a),andcorrespondingbuoyancyfrequency(b)intheexperimentaltank2結(jié)果與討論2.1熱液柱速度特征通過PIV觀測得到的速度場可以直觀地顯示熱液柱的演化過程以及速度分布特征。圖3中a—h分別為熱液柱在提供熱量的0、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0、4.8、5.6s不同時刻的瞬時速度常從圖中可以看出,通過熱電阻觸發(fā)出的熱液柱具有較高溫度(約20.5°C),因密度低于周圍流體而具有正加速度,從而其垂向速度逐漸增大;在此過程中,周圍純水由于被熱液柱卷挾,因為水平速度方向指向熱液柱中心,且速度大小逐漸降低,說明熱液柱對周圍純水的卷挾作用逐漸減弱,而卷挾進(jìn)入熱液柱的周圍相對低溫純水導(dǎo)致熱液柱密度增大,從而垂向加速度值逐漸減校在發(fā)展過程中,熱液柱的水平和垂向尺度?

48像素,后處理計算窗取32×32像素,并有50%的重疊率,因此獲得的速度場矢量數(shù)為128×128。為了獲得更高的速度場分辨率,對熱電阻上方兩個不同的區(qū)域同時進(jìn)行PIV測量(如圖1所示),拍攝區(qū)域一的范圍為56×56mm,拍攝區(qū)域二的范圍為122×122mm。圖1實驗裝置、溫度探頭位置以及PIV測量區(qū)域Fig.1Schematicdiagramoftheexperimentalsetup,thepositionofthethermistorsandthePIVmeasurementarea初始背景水體層結(jié)通過對上下底板設(shè)置不同溫度來形成。設(shè)置上下底板溫度分別為40°C和16°C,通過12小時的靜置,水體由于熱傳導(dǎo)而形成如圖2a)的垂向溫度分布,通過狀態(tài)方程計算水體的密度分布,從而得到表征背景水體層結(jié)的浮力頻率N,1/2N[(g/)(d/dz)](1)式中g(shù)、ρ是重力加速度和水體密度,其計算結(jié)果如圖2b所示,背景水體浮力頻率約為0.2—0.3rad/s(熱液柱發(fā)展過程中高度范圍)。圖2初始背景水體垂向溫度(a),相應(yīng)的浮力頻率(b)Fig.2Verticalprofileoftemperature(a),andcorrespondingbuoyancyfrequency(b)intheexperimentaltank2結(jié)果與討論2.1熱液柱速度特征通過PIV觀測得到的速度場可以直觀地顯示熱液柱的演化過程以及速度分布特征。圖3中a—h分別為熱液柱在提供熱量的0、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0、4.8、5.6s不同時刻的瞬時速度常從圖中可以看出,通過熱電阻觸發(fā)出的熱液柱具有較高溫度(約20.5°C),因密度低于周圍流體而具有正加速度,從而其垂向速度逐漸增大;在此過程中,周圍純水由于被熱液柱卷挾,因為水平速度方向指向熱液柱中心,且速度大小逐漸降低,說明熱液柱對周圍純水的卷挾作用逐漸減弱,而卷挾進(jìn)入熱液柱的周圍相對低溫純水導(dǎo)致熱液柱密度增大,從而垂向加速度值逐漸減校在發(fā)展過程中,熱液柱的水平和垂向尺度不斷增大,最大速度均分布在的

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1 Ｊｏｈｎ Ｅ．Ｌｕｐｔｏｎ;用RAFOS中性浮力漂流物追蹤事件熱液柱的演化[J];海洋地質(zhì)動態(tài);1999年02期

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本文編號：2557717