科研新聞

北京大學工學院楊延濤課題組在溫鹽驅動對流湍流方面取得重要進展

2020-07-02

海洋環境中當海水溫度和鹽度在深度方向同時存在不均勻分布時,重力作用下會出現溫鹽驅動的雙擴散對流現象。雙擴散對流廣泛分布于從熱帶到極地的不同海域,是影響熱量和鹽度在垂直方向混合輸運的重要物理機制。在熱帶和亞熱帶海域上層海水中,溫度和鹽度往往隨深度增加而同時下降,此時發生的雙擴散對流為鹽指型,同時會伴隨著溫鹽臺階流態。當前關于溫鹽臺階流態的產生機制和混合輸運特性還有眾多問題需要回答。

工學院楊延濤課題組利用大規模直接數值模擬方法針對極高控制參數下的溫鹽驅動雙擴散對流開展系統性研究,重點關注鹽指型雙擴散對流中流場形態隨控制參數的變化趨勢,以及對應的熱量和鹽度輸運規律。研究發現在溫鹽雙擴散對流系統中,相同全局流動參數下可能出現完全不同的流場形態,即鹽指型雙擴散對流湍流存在多態現象。不同形態可由不同初始溫鹽分布決定,如圖1所示;也可由流動參數的不同演化過程建立。溫鹽臺階流態向單一鹽指界面流態的轉變過程中存在遲滯現象。分析表明,經典的熱流和鹽流參數化模型不能同時描述溫鹽臺階內鹽指界面和單一鹽指界面的輸運特性;如果同時考慮鹽指界面溫鹽梯度和界面厚度,則針對不同類型鹽指界面能夠建立統一的參數化模型。


圖1:A—C由不同初始溫鹽分布給出的不同溫鹽臺階流態以及對應的臺階狀平均溫度和鹽度剖面,包含充分混合的湍流對流層以及厚度較小的鹽指界面。右側給出B中黑框所示鹽指界面內的詳細流動結構,D鹽度異常,E 溫度異常,F 法向速度

本研究不僅展示了浮力驅動對流湍流的新穎流動現象,同時對理解和描述海洋中鹽指型雙擴散溫鹽臺階流態的產生機制和混合輸運特性有重要的應用價值。相關成果近期發表在《美國科學院院刊》(https://www.pnas.org/content/117/26/14676)。工學院楊延濤特聘研究員是論文的第一和通訊作者,2019級博士生陳文淵為第二作者。論文合作者包括荷蘭Detlef Lohse教授和意大利Roberto Verzicco教授。本研究工作得到國家自然科學基金的支持。

 
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