發(fā)布時(shí)間：2021-04-01 08:14

　　深海熱液羽流系統(tǒng)對研究海底巖石圈和海洋之間的熱量與物質(zhì)輸運(yùn)及深海生物活動(dòng)等科學(xué)問題具有重要意義。文章對溫度層結(jié)環(huán)境中的二維軸對稱熱液羽流進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明,熱液羽流上升過程中溫度不斷降低,浮力減小,在層結(jié)作用下達(dá)到最大上升高度。羽流垂向速度在羽流中心區(qū)域呈柱狀分布,隨著高度的增加速度值逐漸減少。計(jì)算得到的羽流最大上升高度和底部羽流半徑與經(jīng)典的MTT理論結(jié)果進(jìn)行了對比,兩者基本一致。而后隨著時(shí)間增加,熱液羽流頂部開始橫向輸運(yùn)形成蘑菇狀。示蹤物濃度反映的羽流半徑在高度0⁵0m保持不變,50m以上區(qū)域羽流最大半徑隨時(shí)間越來越大,在1.39h時(shí)不到30m,發(fā)展到100h后羽流半徑達(dá)到150m。 

【文章來源】：熱帶海洋學(xué)報(bào). 2016,35(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

計(jì)算區(qū)域及初始溫度分布

周圍海水溫度高、密度低,憑借初始速度和熱浮力開始上升并形成羽流。羽流在上升的過程中不斷卷積周圍低溫海水,浮力不斷減少,在海洋環(huán)境的層結(jié)作用下,最終到達(dá)羽流最大上升高度(Woods,2010)。熱液羽流到達(dá)最大上升高度之后開始橫向傳播。從量綱分析可以得知,羽流上升時(shí)間與浮力頻率倒數(shù)1∕N為同一量級(Woodsetal,1992)。本文算例的預(yù)測羽流達(dá)到最大上升高度時(shí)間為2πt4924sN。選用*2πt5000sN作為單位時(shí)間,選取數(shù)值計(jì)算結(jié)果中不同時(shí)刻垂向速度在軸線上的分布,判斷熱液羽流是否達(dá)到最大上升高度。圖2展示了0~10t*垂向速度分布的變化,羽流在t*時(shí)接近羽流最大上升高度。在t*之前,熱液羽流不斷上升,處于上升階段。在t*之后,羽流速度出現(xiàn)小的振蕩,很快穩(wěn)定至一個(gè)固定的高度上,羽流垂向速度分布基本不變,羽流進(jìn)入橫向傳播階段。圖2垂向速度分布隨時(shí)間變化t*=5000s作為單位時(shí)間Fig.2Temporalevolutionofthevelocityalongtheventcenterline.t*=5000sisthebuoyancetimescale2.2最大上升高度、羽流半徑與MTT理論對比MTT理論研究在浮力驅(qū)動(dòng)下羽流的運(yùn)動(dòng)。在卷積假設(shè)下,MTT理論成功地預(yù)測了羽流在層結(jié)環(huán)境中的流動(dòng),推導(dǎo)得到了羽流在層結(jié)背景環(huán)境中羽流最大上升高度(Jiangetal,2014):140max33.76BZN(5)其中,浮力通量00BgQ,ρ代表噴口噴出流體與參考密度0之差,Q是噴口體積流量。本文中浮力通量B0為5.02×103m4s–3;浮力頻率N=1.27103s1。根據(jù)這些參數(shù)可以得到MTT理論預(yù)測羽流最大上升高度為148.3m,數(shù)值計(jì)算中羽流最大上升高度為127.2m。理論與計(jì)算最大上升高度見表2。表2理論與計(jì)算最大上升高度Tab.2Thetheoreticaland

100熱帶海洋學(xué)報(bào)Vol.35,No.5/Sep.,2016卷積系數(shù)。通過定義zi0作為虛擬噴口與實(shí)際噴口的距離,即可得到羽流半徑be與實(shí)際高度z的關(guān)系:ei065bzz(7)給定虛擬噴口與實(shí)際噴口距離zi0=14m,卷積系數(shù)α=0.08,便能得到羽流半徑be的理論解。在數(shù)值計(jì)算結(jié)果中,Lavelle等(2013)提出羽流半徑bc定義:在不同高度找到示蹤物濃度最大值Cmax,然后在這一高度找到max0.1CC的位置作為羽流半徑bc的位置。圖3展示了羽流半徑be理論解與計(jì)算得到羽流半徑bc對比。羽流半徑bc是由27.78h(20t*)時(shí)羽流濃度場數(shù)據(jù)得到。圖3計(jì)算得到羽流半徑與理論解的對比Fig.3Thetheoreticalandcalculatedplume’sradii圖3中直線為理論解e065ibzz,散點(diǎn)為羽流半徑bc隨高度變化。實(shí)際高度范圍為2~50m,對應(yīng)羽流到虛擬噴口距離zi為16~64m。計(jì)算中噴口的高度設(shè)置為2m高,所以羽流半徑的對比范圍為2~50m。從圖3可以看到理論解be與計(jì)算得到的羽流半徑bc在高度2~50m范圍內(nèi)基本一致。2.3熱液羽流速度分布熱液羽流的速度分布將決定不同區(qū)域的物質(zhì)輸運(yùn)強(qiáng)弱以及傳播方向。選取羽流噴發(fā)27.78h(20t*)時(shí)的速度場,分別畫出羽流垂向速度嘗垂向速度的軸線分布和羽流橫向速度場,如圖4所示。圖中為了反映軸對稱結(jié)果,將計(jì)算區(qū)域沿對稱軸鏡像到左側(cè)。圖4a中熱液羽流垂向速度分布顯示,在羽流中心區(qū)域,也就是在噴口周圍約20m范圍內(nèi),羽流垂向速度呈柱狀分布。隨著高度的增加,羽流垂向速度逐漸減少。圖4b給出了垂向速度在軸線上的分布,可以看到羽流速度在剛離開噴口時(shí)不斷加速,達(dá)到速度最大值,接近0.1ms1,隨著高度增加速度不斷減少,在高度約127m處羽流速度降低為0,羽流達(dá)到最大上升高?


本文編號：3112998