障礙物對(duì)層結(jié)流體運(yùn)動(dòng)影響的數(shù)值研究.pdf

1、為了更有效減少溫室氣體排放,阻止全球氣候持續(xù)變暖,發(fā)展可持續(xù)能源供給,減低對(duì)于其他國(guó)家的能源倚賴(lài),創(chuàng)造更多的就業(yè)機(jī)會(huì),各國(guó)政府對(duì)于可再生能源的開(kāi)發(fā)都非常重視。近年來(lái)在可再生能源的開(kāi)發(fā)中,近岸風(fēng)能的利用越來(lái)越被重視,這種能源的開(kāi)發(fā)可以遠(yuǎn)離人口密集區(qū)域,減少噪聲對(duì)于人類(lèi)的影響,同時(shí)又能有效的利用海上風(fēng)場(chǎng),提供清潔能源。在我們盡可能利用這些能源的同時(shí),又要盡量避免這種能源的開(kāi)發(fā)可能帶來(lái)潛在的負(fù)面影響,我們開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是相關(guān)設(shè)施的建設(shè)和環(huán)境生態(tài)相

2、和諧,為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo),對(duì)于相關(guān)過(guò)程影響的研究是非常有必要的。由于目前歐洲仍然是海上風(fēng)能利用的主要區(qū)域之一,我們以歐洲附近的波羅的海為例,從層結(jié)流體動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)考慮海上風(fēng)能設(shè)施的建設(shè)對(duì)于相關(guān)生態(tài)過(guò)程的可能影響。由于波羅的海是一個(gè)典型的接近封閉的海域,受到陸地徑流的影響:海洋層結(jié)效應(yīng)很強(qiáng),底層的海水難以得到持續(xù)更新,因而形成了一個(gè)低氧區(qū)。這個(gè)區(qū)域的氧分主要通過(guò)北海高鹽度海水的入流來(lái)更新,現(xiàn)在計(jì)劃在北海入流高密度海水通道上建設(shè)的風(fēng)能發(fā)電設(shè)

3、施可能會(huì)對(duì)于高密度的入流水體產(chǎn)生阻礙和混合作用,使得入流水體的密度(鹽度)降低,可能導(dǎo)致的直接后果是使得原本可以達(dá)到海底來(lái)更新底部的入流水體無(wú)法達(dá)到原有的深度,引起底層的水體失去了更新氧分的來(lái)源,從而對(duì)于海洋生態(tài)過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面的影響。因而這個(gè)過(guò)程的研究對(duì)于我們?cè)u(píng)價(jià)海上風(fēng)能建筑的對(duì)于海洋環(huán)境的影響非常重要。本文嘗試使用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)于相關(guān)過(guò)程進(jìn)行初步的探索研究。由于目前已有的海洋數(shù)值計(jì)算模型無(wú)法滿(mǎn)足我們的要求,基于前人工作的基礎(chǔ)上,本文結(jié)合

4、了計(jì)算流體力學(xué)模型和海洋數(shù)值計(jì)算模型的優(yōu)點(diǎn),整合了一個(gè)可以滿(mǎn)足層結(jié)流體繞流問(wèn)題計(jì)算需求的非靜力數(shù)值模型。并且通過(guò)一系列二維模型檢驗(yàn)該模型對(duì)于二維的繞流問(wèn)題和層結(jié)流體動(dòng)力過(guò)程數(shù)值計(jì)算的有效性,計(jì)算結(jié)果表明該數(shù)值模型較其他模型更適用于層結(jié)流體繞流問(wèn)題的研究。同實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的定性比較表明該模型可以更好地對(duì)于相關(guān)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,進(jìn)一步分析了不同的對(duì)流項(xiàng)離散方式和湍流模型對(duì)于繞流問(wèn)題的影響,同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定量比較為我們今后了解這些參數(shù)對(duì)于繞流過(guò)程

5、計(jì)算結(jié)果的影響有了一個(gè)初步的掌握。在二維模型成功驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,我們分別嘗試了對(duì)于層結(jié)流體的強(qiáng)迫入流過(guò)程和高密度水體沿著傾斜地形下沉的過(guò)程作了三維的數(shù)值計(jì)算,定性分析了擾動(dòng),流速剪切,不同的柱體形狀對(duì)于層結(jié)流體運(yùn)動(dòng)的影響,這些理想情形的數(shù)值算例使得我們對(duì)于相關(guān)的物理過(guò)程有了一個(gè)初步的了解。計(jì)算結(jié)果表明背景流動(dòng),剪切,擾動(dòng)和障礙物的共同作用可以在柱體后側(cè)產(chǎn)生一個(gè)非常強(qiáng)烈的混合過(guò)程,由此引起的其他效應(yīng),如生態(tài)過(guò)程,值得進(jìn)一步研究。由于目前對(duì)于

6、風(fēng)能發(fā)電設(shè)施建設(shè)對(duì)于層結(jié)流體的影響沒(méi)有直接的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),本文采用在大貝爾特橋附近的一個(gè)觀(guān)測(cè)過(guò)程來(lái)研究障礙物對(duì)于層結(jié)流體運(yùn)動(dòng)的影響。該橋西橋具有和海上風(fēng)能發(fā)電設(shè)施相似的尺寸。在前面工作的基礎(chǔ)上,我們嘗試對(duì)于西橋橋墩附近的流場(chǎng)和鹽度場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬,期望能夠通過(guò)數(shù)值計(jì)算重構(gòu)橋墩附近的流場(chǎng)和鹽度場(chǎng)結(jié)構(gòu),彌補(bǔ)直接的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間上不同步,空間上稀疏的缺點(diǎn)。雖然這個(gè)嘗試最終失敗,我們通過(guò)分析其失敗的原因?qū)τ谡系K物對(duì)于層結(jié)流體混合強(qiáng)度有了更深刻的了解

7、,如障礙物對(duì)于層結(jié)流體的影響非常明顯,其對(duì)于層結(jié)流體過(guò)程引起的混合,可以引起一個(gè)和流動(dòng)方向相反的斜壓梯度力,使得層結(jié)流體底層產(chǎn)生一個(gè)和原入流方向相反的流動(dòng),最終引起計(jì)算模型邊界條件和計(jì)算區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生的流動(dòng)相沖突,造成計(jì)算失敗。這為我們進(jìn)一步研究相關(guān)過(guò)程提出了新的問(wèn)題。障礙物對(duì)于層結(jié)流體運(yùn)動(dòng)的影響是一個(gè)非常重要的研究方向,對(duì)于評(píng)估實(shí)際海上建筑對(duì)于海洋動(dòng)力過(guò)程的影響具有重要意義。本文嘗試使用數(shù)值模型對(duì)于若干方面作了初步的了解,這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)