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妙•力学

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深海风暴

2015/3/24 21:02:17 人评论 次浏览

 

一、展项原理介绍

展品为了模拟海水湍流的产生而设计。海洋湍流是指海洋水体中任意点的运动速度的大小和方向都紊乱变动的流动。它能加强溶解质的扩散,动量和热量的分散转移,使能量从较大尺度的涡旋运动向较小尺度的涡旋运动转移。随着物质扩散和动量及能量的转移,湍流逐渐减弱,因此,只有外界不断向水体供给能量,才能使湍流现象维持下去。

正是因为海洋湍流能加强溶解质扩散,故在海洋生物猎食规律研究上有重要意义,是海洋生态环境的关键控制因素,海洋湍流是驱动大洋热盐环流的动力源泉。海洋湍流通过海气相互作用影响着气候的变化,而大尺度涡旋向小尺度涡旋的转移的作用对预测和防治海洋灾害有一定作用。近年来,海洋湍流混合研究已成为国际物理海洋学的核心研究方向之一,得到充分的重视,取得系列重大科学发现,深化了人们对大洋温盐环流驱动机制的理解和认识。然而,我国在这方面的研究才刚刚起步,尤其是对于深海的混合观测研究还是空白。

海洋湍流是由海面风场、海底摩擦、内波破碎等动力过程触发生成的。为了探知海洋湍流,人们设计各种实验,进行观测,并尝试用数学模型对湍流进行描述。

二、展品相关知识内容

    1、湍流现象广泛存在

湍流现象在整个宇宙中可以说无处不在。

    2、湍流研究的贡献者

最早对湍流研究做出重要贡献的是O.雷诺,他从欧拉的观点出发,将流体动力学中的纳维-斯托克斯方程进行时间平均处理,导出了流体的时间平均运动方程,引入了雷诺应力,并提出了湍流存在的判据──雷诺数。雷诺数等于流体的密度、流动的特征速度和特征长度三者的乘积同流体的运动粘度之比。当雷诺数等于零时,水体处于谐和运动状态(静止是其特殊状态);当雷诺数很小时,水体处于层流状态,即处于稳定的、液层之间无明显的流体交换的规则状态;当雷诺数增大到某临界值之后,流体即从层流转变成湍流。

1925年,L.普朗特提出了湍流运动的混合长度假说,得到冯·卡门等人的发展,后来这种理论被称作湍流的半经验混合长度理论。

1921年,G.I.泰勒从拉格朗日观点出发,提出了用拉格朗日速度相关函数研究湍流的方法。到了60年代,A.H.科尔莫戈罗夫分析了欧拉速度相关函数,将它应用于湍流研究中。后来A.C.莫宁和A.M.亚格洛姆等人进一步发展了这种方法。用这两种方法建立起来的湍流理论,称为湍流理论。

   3、海洋湍流的基本特征

在海洋中,无论湍流的尺度或强度,其铅直分量和水平分量通常都极不相同,所以一般都分别进行研究。产生这种差别的原因,首先是因为海洋的水平尺度比铅直尺度大得多,其次是由于海水密度铅直稳定分层的影响,最终导致两者相差悬殊。

   1)引起海洋铅直湍流的主要过程:

风应力对海洋表层的作用,海底对海流、特别是潮流的摩擦效应,以及因水平压力不均匀而导致的海流铅直切变。

   2)引起水平湍流的主要因素:

作用于海洋表层的风应力在水平方向不均匀,海岸边界对海水的侧向摩擦效应,以及存在于海流内部或相邻的海流之间的水平流速切变。

海洋中的水平运动,大至大洋水平尺度范围的宏观环流运动,小至海水的分子热运动。大尺度的大洋环流直接从世界主要风系获得能量,通过湍流的作用,能量从尺度较大的运动向尺度较小的运动转移,最终传给分子运动而变为热能。

研究海洋中水平运动和垂直运动时,分别选择适当的平均尺度是很重要的。在选定了平均尺度的前提下,所有尺度大于平均尺度的运动即可作为平均运动,而尺度小于平均尺度的运动则作为湍流处理。显然,平均尺度的选择,需视所研究的问题而定。

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