障礙物對層結(jié)流體運動影響的數(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,減低對于其他國家的能源倚賴,創(chuàng)造更多的就業(yè)機會,各國政府對于可再生能源的開發(fā)都非常重視。近年來在可再生能源的開發(fā)中,近岸風能的利用越來越被重視,這種能源的開發(fā)可以遠離人口密集區(qū)域,減少噪聲對于人類的影響,同時又能有效的利用海上風場,提供清潔能源。在我們盡可能利用這些能源的同時,又要盡量避免這種能源的開發(fā)可能帶來潛在的負面影響,我們開發(fā)的目標是相關(guān)設施的建設和環(huán)境生態(tài)相

2、和諧,為了達到這個目標,對于相關(guān)過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)流體動力學的角度來考慮海上風能設施的建設對于相關(guān)生態(tài)過程的可能影響。由于波羅的海是一個典型的接近封閉的海域,受到陸地徑流的影響:海洋層結(jié)效應很強,底層的海水難以得到持續(xù)更新,因而形成了一個低氧區(qū)。這個區(qū)域的氧分主要通過北海高鹽度海水的入流來更新,現(xiàn)在計劃在北海入流高密度海水通道上建設的風能發(fā)電設

3、施可能會對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,可能導致的直接后果是使得原本可以達到海底來更新底部的入流水體無法達到原有的深度,引起底層的水體失去了更新氧分的來源,從而對于海洋生態(tài)過程產(chǎn)生負面的影響。因而這個過程的研究對于我們評價海上風能建筑的對于海洋環(huán)境的影響非常重要。本文嘗試使用數(shù)值計算方法對于相關(guān)過程進行初步的探索研究。由于目前已有的海洋數(shù)值計算模型無法滿足我們的要求,基于前人工作的基礎(chǔ)上,本文結(jié)合

4、了計算流體力學模型和海洋數(shù)值計算模型的優(yōu)點,整合了一個可以滿足層結(jié)流體繞流問題計算需求的非靜力數(shù)值模型。并且通過一系列二維模型檢驗該模型對于二維的繞流問題和層結(jié)流體動力過程數(shù)值計算的有效性,計算結(jié)果表明該數(shù)值模型較其他模型更適用于層結(jié)流體繞流問題的研究。同實驗觀測數(shù)據(jù)的定性比較表明該模型可以更好地對于相關(guān)過程進行數(shù)值計算,進一步分析了不同的對流項離散方式和湍流模型對于繞流問題的影響,同實驗數(shù)據(jù)的定量比較為我們今后了解這些參數(shù)對于繞流過程

5、計算結(jié)果的影響有了一個初步的掌握。在二維模型成功驗證的基礎(chǔ)上,我們分別嘗試了對于層結(jié)流體的強迫入流過程和高密度水體沿著傾斜地形下沉的過程作了三維的數(shù)值計算,定性分析了擾動,流速剪切,不同的柱體形狀對于層結(jié)流體運動的影響,這些理想情形的數(shù)值算例使得我們對于相關(guān)的物理過程有了一個初步的了解。計算結(jié)果表明背景流動,剪切,擾動和障礙物的共同作用可以在柱體后側(cè)產(chǎn)生一個非常強烈的混合過程,由此引起的其他效應,如生態(tài)過程,值得進一步研究。由于目前對于

6、風能發(fā)電設施建設對于層結(jié)流體的影響沒有直接的觀測數(shù)據(jù),本文采用在大貝爾特橋附近的一個觀測過程來研究障礙物對于層結(jié)流體運動的影響。該橋西橋具有和海上風能發(fā)電設施相似的尺寸。在前面工作的基礎(chǔ)上,我們嘗試對于西橋橋墩附近的流場和鹽度場結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬,期望能夠通過數(shù)值計算重構(gòu)橋墩附近的流場和鹽度場結(jié)構(gòu),彌補直接的觀測數(shù)據(jù)時間上不同步,空間上稀疏的缺點。雖然這個嘗試最終失敗,我們通過分析其失敗的原因?qū)τ谡系K物對于層結(jié)流體混合強度有了更深刻的了解

7、,如障礙物對于層結(jié)流體的影響非常明顯,其對于層結(jié)流體過程引起的混合,可以引起一個和流動方向相反的斜壓梯度力,使得層結(jié)流體底層產(chǎn)生一個和原入流方向相反的流動,最終引起計算模型邊界條件和計算區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生的流動相沖突,造成計算失敗。這為我們進一步研究相關(guān)過程提出了新的問題。障礙物對于層結(jié)流體運動的影響是一個非常重要的研究方向,對于評估實際海上建筑對于海洋動力過程的影響具有重要意義。本文嘗試使用數(shù)值模型對于若干方面作了初步的了解,這個過程中出現(xiàn)