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云顶娱乐杨延涛课题组在温盐驱动对流湍流方面取得重要进展

2020-07-02

海洋环境中当海水温度和盐度在深度方向同时存在不均匀分布时,重力作用下会出现温盐驱动的双扩散对流现象。双扩散对流广泛分布于从热带到极地的不同海域,是影响热量和盐度在垂直方向混合输运的重要物理机制。在热带和亚热带海域上层海水中,温度和盐度往往随深度增加而同时下降,此时发生的双扩散对流为盐指型,同时会伴随着温盐台阶流态。当前关于温盐台阶流态的产生机制和混合输运特性还有众多问题需要回答。

云顶娱乐杨延涛课题组利用大规模直接数值模拟方法针对极高控制参数下的温盐驱动双扩散对流开展系统性研究,重点关注盐指型双扩散对流中流场形态随控制参数的变化趋势,以及对应的热量和盐度输运规律。研究发现在温盐双扩散对流系统中,相同全局流动参数下可能出现完全不同的流场形态,即盐指型双扩散对流湍流存在多态现象。不同形态可由不同初始温盐分布决定,如图1所示;也可由流动参数的不同演化过程建立。温盐台阶流态向单一盐指界面流态的转变过程中存在迟滞现象。分析表明,经典的热流和盐流参数化模型不能同时描述温盐台阶内盐指界面和单一盐指界面的输运特性;如果同时考虑盐指界面温盐梯度和界面厚度,则针对不同类型盐指界面能够建立统一的参数化模型。


图1:A—C由不同初始温盐分布给出的不同温盐台阶流态以及对应的台阶状平均温度和盐度剖面,包含充分混合的湍流对流层以及厚度较小的盐指界面。右侧给出B中黑框所示盐指界面内的详细流动结构,D盐度异常,E 温度异常,F 法向速度

本研究不仅展示了浮力驱动对流湍流的新颖流动现象,同时对理解和描述海洋中盐指型双扩散温盐台阶流态的产生机制和混合输运特性有重要的应用价值。相关成果近期发表在《美国科学院院刊》(https://www.pnas.org/content/117/26/14676)。云顶娱乐杨延涛特聘研究员是论文的第一和通讯作者,2019级博士生陈文渊为第二作者。论文合作者包括荷兰Detlef Lohse教授和意大利Roberto Verzicco教授。本研究工作得到国家自然科学基金的支持。

 
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