障碍物对层结流体运动影响的数值研究

论文摘要

为了更有效减少温室气体排放,阻止全球气候持续变暖,发展可持续能源供给,减低对于其他国家的能源倚赖,创造更多的就业机会,各国政府对于可再生能源的开发都非常重视。近年来在可再生能源的开发中,近岸风能的利用越来越被重视,这种能源的开发可以远离人口密集区域,减少噪声对于人类的影响,同时又能有效的利用海上风场,提供清洁能源。在我们尽可能利用这些能源的同时,又要尽量避免这种能源的开发可能带来潜在的负面影响,我们开发的目标是相关设施的建设和环境生态相和谐,为了达到这个目标,对于相关过程影响的研究是非常有必要的。由于目前欧洲仍然是海上风能利用的主要区域之一,我们以欧洲附近的波罗的海为例,从层结流体动力学的角度来考虑海上风能设施的建设对于相关生态过程的可能影响。由于波罗的海是一个典型的接近封闭的海域,受到陆地径流的影响：海洋层结效应很强,底层的海水难以得到持续更新,因而形成了一个低氧区。这个区域的氧分主要通过北海高盐度海水的入流来更新,现在计划在北海入流高密度海水通道上建设的风能发电设施可能会对于高密度的入流水体产生阻碍和混合作用,使得入流水体的密度(盐度)降低,可能导致的直接后果是使得原本可以达到海底来更新底部的入流水体无法达到原有的深度,引起底层的水体失去了更新氧分的来源,从而对于海洋生态过程产生负面的影响。因而这个过程的研究对于我们评价海上风能建筑的对于海洋环境的影响非常重要。本文尝试使用数值计算方法对于相关过程进行初步的探索研究。由于目前已有的海洋数值计算模型无法满足我们的要求,基于前人工作的基础上,本文结合了计算流体力学模型和海洋数值计算模型的优点,整合了一个可以满足层结流体绕流问题计算需求的非静力数值模型。并且通过一系列二维模型检验该模型对于二维的绕流问题和层结流体动力过程数值计算的有效性,计算结果表明该数值模型较其他模型更适用于层结流体绕流问题的研究。同实验观测数据的定性比较表明该模型可以更好地对于相关过程进行数值计算,进一步分析了不同的对流项离散方式和湍流模型对于绕流问题的影响,同实验数据的定量比较为我们今后了解这些参数对于绕流过程计算结果的影响有了一个初步的掌握。在二维模型成功验证的基础上,我们分别尝试了对于层结流体的强迫入流过程和高密度水体沿着倾斜地形下沉的过程作了三维的数值计算,定性分析了扰动,流速剪切,不同的柱体形状对于层结流体运动的影响,这些理想情形的数值算例使得我们对于相关的物理过程有了一个初步的了解。计算结果表明背景流动,剪切,扰动和障碍物的共同作用可以在柱体后侧产生一个非常强烈的混合过程,由此引起的其他效应,如生态过程,值得进一步研究。由于目前对于风能发电设施建设对于层结流体的影响没有直接的观测数据,本文采用在大贝尔特桥附近的一个观测过程来研究障碍物对于层结流体运动的影响。该桥西桥具有和海上风能发电设施相似的尺寸。在前面工作的基础上,我们尝试对于西桥桥墩附近的流场和盐度场结构进行数值模拟,期望能够通过数值计算重构桥墩附近的流场和盐度场结构,弥补直接的观测数据时间上不同步,空间上稀疏的缺点。虽然这个尝试最终失败,我们通过分析其失败的原因对于障碍物对于层结流体混合强度有了更深刻的了解,如障碍物对于层结流体的影响非常明显,其对于层结流体过程引起的混合,可以引起一个和流动方向相反的斜压梯度力,使得层结流体底层产生一个和原入流方向相反的流动,最终引起计算模型边界条件和计算区域内部产生的流动相冲突,造成计算失败。这为我们进一步研究相关过程提出了新的问题。障碍物对于层结流体运动的影响是一个非常重要的研究方向,对于评估实际海上建筑对于海洋动力过程的影响具有重要意义。本文尝试使用数值模型对于若干方面作了初步的了解,这个过程中出现的很多问题有待于以后进一步的研究。同时受限于目前数值模型对计算资源的需求,对于这个过程的参数化是有必要的,我们期望以后通过进一步的相关研究能够构建一套可以作为基准的数据集并寻求一个恰当的参数化方法,并将这种方法来评估实际海上建筑,如桥梁,石油平台,海上风力发电设施等对于海洋环境影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 研究背景
• 1.1 近岸风能利用的意义
• 1.2 相关的生态和环境影响研究
• 1.2.1 对于海洋哺乳动物的影响
• 1.2.2 对于鸟类迁徙的影响
• 1.2.3 对于海鸟的研究
• 1.2.4 对于鱼类的影响
• 1.2.5 对于底生生物的影响
• 1.2.6 其他方面影响的研究
• 1.3 波罗的海简介
• 1.4 Quant AS研究计划
• 1.4.1 QualltAS-Nat研究计划
• 1.4.2 QualltAS-011研究计划
• 1.5 本文计划研究的内容和方法
• 第二章 数值计算模型
• 2.1 控制方程离散方法的选择
• 2.2 计算网格的选取
• 2.3 Boussinesq近似
• 2.4 静压模型/非静压模型
• 2.4.1 静压模型的应用及局限性
• 2.4.2 非静压模型算法介绍
• 2.5 湍流计算模型的应用
• 2.5.1 湍动能生成项的表示形式
• 2.5.2 湍动能的浮力生成项
• 2.6 开源、免费软件和商业软件
• 2.7 程序语言的选择
• 2.8 现有海洋模型的缺陷
• 2.9 本文所采用的数值计算模型介绍
• 2.10 小结
• 第三章 障碍物的绕流研究
• 3.1 描述障碍物绕流的参量
• 3.2 形状规则的障碍物绕流
• 3.2.1 圆柱绕流问题流动状态的分类
• 3.2.2 圆柱绕流问题的相关研究
• 3.2.3 方柱绕流问题的相关研究
• 3.3 层结流体的绕流研究
• 3.4 旋转坐标系的研究情况
• 3.5 柱体绕流的综述工作
• 3.6 非规则形状的障碍物绕流
• 3.6.1 岛屿绕流的相关研究（ Island）
• 3.6.2 海角对流动的影响研究（Headland，Cape）
• 3.6.3 海槛（Sill）和海底起伏（Bump）对于海流的影响
• 3.6.4 经过山体的绕流研究
• 3.7 形状阻力和摩擦阻力
• 3.8 小结
• 第四章 柱体绕流的数值模拟:数值计算模型的初步应用
• 4.1 水平平面的二维柱体绕流特征
• 4.1.1 数值算例的设置
• 4.1.2 数值算例的结果分析
• 4.2 垂直平面的二维流动特征
• 4.2.1 数值算例的设置
• 4.2.2 数值算例的结果分析
• 4.3 小结
• 第五章 湍流封闭模型和对流项的离散方法介绍
• 5.1 代数模型
• 5.2 一方程模型
• 5.3 两方程模型
• 5.3.I κ-ε 模型
• 5.3.2 κ-ω模型
• 5.3.3 κ-κι模型
• 5.3.4 GLS模型
• 5.3.5 其他两方程湍流模型
• 5.3.6 两方程模型的限制和约束
• 5.4 雷诺应力模型（RSM）
• 5.5 大涡模拟（LES）
• 5.6 分离涡模拟（DES）
• 5.7 直接数值模拟（DNS）
• 5.8 湍流近壁面模拟
• 5.9 湍流模型的选择
• 5.10 对流项的离散方法
• 5.11 小结
• 第六章 湍流模型和对流项的离散对于绕流运动的影响
• 6.1 数值算例设置
• 6.2 数值计算结果分析
• 6.2.1 对流项的离散方法对于计算结果的影响
• 6.2.2 湍流模型的选择对于计算结果的影响
• 6.3 小结
• 第七章 层结流体的动力学过程
• 7.1 羽流相关的实验研究
• 7.2 河口动力学过程（Estuary）
• 7.3 冰间水道（Leads），冰沼湖（Polynyn）动力学过程
• 7.4 地热形成的羽流过程
• 7.5 陆架海域的溢出流，高纬度海域的下沉流过程
• 7.6 Lock Exchange动力学过程
• 7. 7小结
• 第八章 对于层结流体动力学模型分析与比较
• 8.1 密度引起垂直对流过程的数值模拟
• 8.1.1 数值模型的设置
• 8.1.2 数值算例结果分析
• 8.2 Lock Exchange过程的数值模拟
• 8.2.1 数值模型的设置
• 8.2.2 数值算例结果分析
• 8.3 小结
• 第九章 柱体对于层结流体入流影响的三维数值模拟
• 9 .1 柱体对于入流影响的瞬态方法模拟
• 9.1.1 数值算例设置
• 9.1.2 数值算例结果分析
• 9 .2 柱体对于无剪切层结流体运动的影响
• 9.2.1 数值算例设置
• 9.2.2 数值算例结果分析
• 9 .3 界面扰动和入流剪切对于层结流体的影响
• 9.3.1 数值算例设置
• 9.3.2 数值算例结果分析
• 9 .4 柱体对于剪切入流的三维数值计算
• 9.4.1 数值算例设置
• 9.4.2 数值算例结果分析
• 9.5 小结
• 第十章 柱体对于倾斜地形层结流体动力过程的影响
• 10.1 无柱体情形下高密度水体沿着倾斜地形的运动
• 10.1.1 数值算例设置
• 10.1.2 数值算例结果分析
• 10.2 柱体对于高密度水体沿着倾斜地形的运动的影响
• 10.2.1 数值算例设置
• 10.2.2 数值算例结果分析
• 10.3 小结
• 第十一章 桥墩对于层结流体影响的数值计算
• 11.1 数值算例设置
• 11.2 数值算例结果分析
• 11.3 小结
• 第十二章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢