动量的运输紊流桶

4天

一个A1

噢

11月5

图1典型表明当前速度测量在不同地点(深度)的一个大湖(康斯坦斯湖)强调洗液迫使的不同时期和震级。(a)的横截面示意图湖三个抽样地点由数字表示。表明当前速度引起的表面波在1公尺深度(b)所示面板。典型的表面波在湖泊的秒。(c)表明当前速度测量的深度季节性温跃层(十米级深度)。观察到当前的速度是由传播内波期在8和20分钟。近底流在100米深度(d)主要由盆地规模内波。大约四天的主要时期与相关联开尔文波。注意,其他几个盆地规模的振荡模式(例如,12 h)叠加在这四天的时间。

湍流边界层(对数层)

粘性子层

冗长的子层

沉积物

图2理想化的桶在平坦的表面沉积物的结构。注意,提供的高度对数比例轴代表数量级估计中发现典型的条件内陆水体。

表面与当前速度沉积物以上一定高度:

t = pCDUtm

p是密度,CD的经验常数(«1.5 x三分),所谓的阻力系数,U1 m是指当前速度测量的身高1米以上沉积物表面。请注意,CD取决于参考高度,当前速度测量和假定的标准身高1米。床上剪应力t被假定为常数在边界层(恒定应力层),它是用来定义一个湍流速度规模u *,所谓的摩擦速度:

量纲分析可以用于推导出速度分布u (z)附近的沉积物表面,z是沉积物表面的距离的地方。一层的足够远的边界,这样直接影响分子粘性流动可以忽略(外层),分析结果

。u, z u (z) - - - K Z0

0.41 k«是卡门常数和z0粗糙长度,与阻力系数在eqn [2]

并将在稍后讨论。

方程[4]叫做墙上,定律,通过假设当地的稳态平衡生产和湍流动能耗散(TKE),它可以用来估计湍流耗散率的垂直分布e

上面的图3速度分布平滑和僵化的底部(实线)。在粘性底层速度u线性增长距离粘性子层上方的沉积物表面z。墙的速度分布遵循法律(eqn[4]),增加对数与表面的距离。外推延续的线性和对数流速分布显示为虚线。

上面的图3速度分布平滑和僵化的底部(实线)。在粘性底层速度u线性增长距离粘性子层上方的沉积物表面z。墙的速度分布遵循法律(eqn[4]),增加对数与表面的距离。外推延续的线性和对数流速分布显示为虚线。

因此,在类比风力表层,动荡的程度增加而降低边界的距离。这种日益动荡,在类比混合层表面,摊位和边界层的发展到几米高。

粘性子层

应该注意的是,eqn[4]只严格有效的湍流流动的垂直运输是由层叠动荡的漩涡。最大(垂直)湍流漩涡的大小是由沉积物表面的距离,和通过沉积物表面鳞片,推翻湍流运动是由分子粘度的影响,抑制交通动力就由粘性力(右边第一项eqn [1])。在这一层,称为粘性底层,当前剪切成为常数和由此产生的线性速度剖面可以描述的

在沉积物表面光滑,粘性底层延伸到的高度大约10 v / m»,这与柯尔莫哥洛夫微尺度描述最小的湍流漩涡的大小(通常O(1厘米),cf。图2)。

因为粘度降低其分子值、当前剪切粘性子层大于内的湍流层以上(cf。图3),一个事实有重大影响生物体生活在粘性底层沉积物表面,因为他们不得不承受这些强大的剪切和颠覆力量。它有趣的进一步,一个可观的能量进入桶,消散在这一层(约40%)。

底部粗糙度的影响

粗糙度长度在eqn z0[3]决定了有效高度z的底部当前的速度接近零。它是由沉积物表面的地形结构,因此由典型的高度,宽度和间距个人粗糙度的元素在一个固定的床上。当这些粗糙度元素z的规模的粘性子层的高度dv, z0仅仅取决于dv和z0«0.1 v / u *。这种流态称为平滑。当粗糙度元素的大小超过dv,流态称为粗糙和相应的粗糙长度是由z0«z / 30。注意,阻力系数CD«早1.5 x提供三分(eqn[2])对应于一个粗糙长度z0«2.5 x 10-5m (eqn[5]),因此光滑流是有效的,除非你*超过0.4 m s - 1或U1m超过10 m s - 1。

除了剪切应力来源于粘滞力如上所述(所谓的表面摩擦),大规模的粗糙度元素会导致一种阻力,结果压力梯度之间的上游和下游侧特别粗糙的元素。虽然表面摩擦是重要的下部紊流桶粘性子层,形成产生的阻力,例如,涟漪,砂波或淹没植被u u e更重要的上部紊流桶和总阻力的流。形式阻力显著时,紊流桶可能包含不止一个对数层,分别由不同的粗糙度长度z0描述。

振荡边界层

这里的紊流桶方程推导出基于稳态条件,即。在当地生产和TKE耗散之间的平衡,在平衡与应用强迫。描述后,然而,许多强制机制表明流动相关表面或内波,因此与振荡流有关。远高于粘性子层,这种振荡洗液,类似于形阻力的影响,偏离其稳态的速度分布的对数模式。振荡桶的一个主要特征是明显的当前速度的最大一些8分米或米床。分析解决这个问题(瑞利流或斯托克斯第二个问题)是一个指数衰减的垂直振荡电流分布的垂直波数\ Jrnj2n oo是迫使频率和n湍流粘度,,然而,是时间的函数和沉积物表面的距离。根据桶的整体能量流特性当前速度极大值在2 - 3米的床上可以观察到在湖泊内部波迫使时期只要24小时。振荡桶的另一个主要后果是最大的在床附近的湍流强度不符合当前的最大速度,在桶的顶部。

分层洗液

密度分层的影响

密度分层影响湍流混合的外层造成浮力潮湿甚至压制推翻湍流漩涡的力量。速度的垂直分布和湍流前面描述的分层条件下无层理的桶,可能因此改变明显。此外,密度分层的垂直结构以及斜边界的存在可以引入额外的混合现象的桶封闭的盆地。

类似于混合层表面,增加产量的TKE水体的边界往往会导致生成和维护hmix混合桶的高度。在平底(从斜坡上)和对数边界层发生,可以估计hmix wind-mixed表层应用比例法

在u *桶的摩擦速度(eqn [2]), N是Brunt-Vaisala频率,f是科里奥利参数。在中小规模的水体,地球自转的影响并不重要,f,取而代之的是各自的迫使频率,例如,内部的频率假潮。

在生产水体,尤其是沉积物可能是一个导致remineralized营养素的重要来源微生物降解有机质的沉积物表面或内部的沉积物。在湿地中溶质的扩散界面(见溶质运输和湿地中交换部分)有可能设置密度分层在桶内,这可能会抑制湍流混合。因此,湍流以及混合桶是否可以开发和维护量不仅取决于可用的TKE,通常从盆地规模的运动,但也在浮力通量从沉积物,必须克服湍流混合。地热供暖,相比之下,可能导致不稳定的分层和对流混合桶。平均地热热流的46兆瓦m ~ 2的结果意味着垂直温度梯度约8 x 10-2K m,逾时可以观察到化学分层和湍流混合是抑制。

二维混合过程在封闭的盆地

混合桶的发生(密度而言)是一个应用程序的直接后果零边界条件的沉积物表面,即。,没有交换的热量和溶解固体在湿地中。这个边界条件迫使等容度(或等温线如果密度主要是由温度变化)在一个直角相交的边界,导致混合密度或温度剖面附近的边界。沿着边界增强混合因此不是一个必要的要求这样的混合层的发展。沿着倾斜的封闭的盆地的边界,这些混合桶,导致水平密度梯度,从而使水平电流,这一过程被认为是流域diapycnal运输阶段的重要后果。

然而,测量显示,hmix沿着倾斜的边界不是恒定不变的,如图4所示。有上限的混合桶可以定义的深度5°C等温线

10 f

14

二十195.3

10 f

14

195.4

195.5

每年的195.6天

195.7

195.8

图5等温线说明内部波场的深水层Toolik湖,阿拉斯加,之前和之后风迫使增加到9 ~ 1(195.6天)女士和湖泊数量下降到1.5。等温线是每隔0.1°C的等温线6°C。热敏电阻之间相隔80厘米10.2和12.6 m深度和2 m更深的水柱。最深的热敏电阻在湖底的50厘米。增加温度波动在LN减少低于1.5表明动荡开始或增加低水柱(未发表的数据,美国Maclntyre)。

195.4

195.5

每年的195.6天

195.7

195.8

195.9

图5等温线说明内部波场的深水层Toolik湖,阿拉斯加,之前和之后风迫使增加到9 ~ 1(195.6天)女士和湖泊数量下降到1.5。等温线是每隔0.1°C的等温线6°C。热敏电阻之间相隔80厘米10.2和12.6 m深度和2 m更深的水柱。最深的热敏电阻在湖底的50厘米。增加温度波动在LN减少低于1.5表明动荡开始或增加低水柱(未发表的数据,美国Maclntyre)。

热和溶质由分子扩散。自溶质分子扩散系数D大约是3个数量级小于分子粘度n(施密特数Sc,定义为Sc = n / D,大约是1000),扩散子层的高度dD是dD = O(1毫米)大大小于粘性子层的高度dn(图2)。一个典型的通过湿地中溶解氧浓度测量界面如图6所示。尽管湍流运输已经隐含在粘性底层,紧张的浓度梯度粘性剪切结果在一个高效的垂直运输通常混合的溶质,溶质分布在大部分的粘性子层。浓度梯度因此压缩到扩散子层覆盖沉积物表面,分子扩散系数的结果在一个线性的恒常性C浓度梯度(z)(图6)。顶部的扩散边界层,浓度梯度逐渐减小为零和溶质浓度达到恒定体积值厘米。

在沉积物中,分子扩散系数降低孔隙度(减少表面积)和turtosity扩散路径长度(增加)和浓度配置文件是另外由化学和微生物生产和损失的过程。在氧气(图6),

E J =
E	1 -
e - o	一个	0 -
来
®X	水 ——“ ao2 我的沉积物 0 2 4 6 8 10 氧浓度(毫克l - 1) 0 2 4 6 8 10 氧浓度(毫克l - 1) 图6氧浓度剖面在湿地中以湖Alpnach(瑞士)。扩散子层的特征是线性浓度梯度在沉积物表面,运输是由分子扩散。定义的有效高度普及的子层dD的十字路口外推线性浓度梯度(虚线)常量氧浓度高于扩散子层。 反应扩散模型,而简单的耗氧量零级动力学导致抛物线氧气剖面与测量氧气分布提供了惊人的好的协议。 通过扩散通量F(溶质边界层可以来自菲克第一定律: 其中C0是溶质浓度在沉积物表面。因此,对于一个给定的浓度梯度(CM - C0)和被忽视的分子扩散系数对温度的依赖关系,通量的大小是由扩散子层的厚度弟弟。它已被证明在许多实验室和实地测量,dD强烈依赖于流态的紊流桶以上。水平提高的湍流(例如,随着u *)扩散边界层变得更紧凑,根据eqn[9],通量增加。扩散子层的厚度可以相关经验u *或如果粘性底层厚度,进而与u *,正如前面所描述的: 施密特数的Sc占的不同的溶质(例如,热或溶解氧)和观察施密特数指数介于0.33和0.5之间。u *并不总是合适的参数来描述洗液动荡(例如,在振荡洗液或形式存在的阻力或密度分层),弟弟也可以确定长度的描述,描述的大小最小波动的一个标量示踪剂在湍流流动的湍流耗散率的函数。 最有趣的是要注意在生产水体湿地中交换往往是flux-limited“瓶颈”的扩散子层,它实际上是风代理提供能量的水面的紊流桶内沉积物的大小,从而影响水通量通过控制扩散子层的厚度。 小规模的沉积物地形的影响 沉积物表面的粗糙度增加(例如,由于生物活性)影响湿地中交换通过增加质量和动量转移以及通过增加湿地的面积。详细观察表明,扩散子层倾向于消除地形结构小于子层的平均身高,但顺利大粗糙度元素(图7)。扩散中的氧分布的详细结构子层然后不仅取决于扩散(正常当地沉积物表面),但也通过平流流(平行于当地的沉积物表面)和可以预期,平滑的程度增加而降低流速度。详细比较粗糙地形的三维测量通量与各自的平均扩散通量计算子层高度和浓度梯度增强因素上升到49%。但必须指出,通量估计从浓度配置文件以一个特定的位置在一个粗略的沉积物表面会严重高估或低估的平均通量,如图7所示。 图7水平横断面沿流向显示上限的扩散子层与数据点(实线)是微生物垫的表面形貌。定义的扩散子层极限是90%的等值线空气饱和的氧气。注意不同的垂直和水平尺度。流速在1厘米的高度是4厘米的s - 1。数据显示特定的测量位置中讨论原出版。复制从J0rgensen BB和Des著名DJ(1990)沉积物的扩散边界层:氧气microgradients微生物垫。湖沼学和海洋学35:1343 - 1355,美国社会许可的湖沼学和海洋学。 图7水平横断面沿流向显示上限的扩散子层与数据点(实线)是微生物垫的表面形貌。扩散子层极限定义的等值线90%的空气饱和氧气。注意不同的垂直和水平尺度。流速在1厘米的高度是4厘米的s - 1。数据显示特定的测量位置中讨论原出版。复制从J0rgensen BB和Des著名DJ(1990)沉积物的扩散边界层:氧气microgradients微生物垫。湖沼学和海洋学35:1343 - 1355,美国社会许可的湖沼学和海洋学。 Nondiffusive通量 除了扩散通量,存在一些额外的通路的溶质交换在湿地中。对流驱动的运输通过接口可以发生在孔隙水浅水区在哪里短波太阳辐射穿透水体沉积物表面,加热的沉积物。同样,水覆盖沉积物表面的温度变化,例如,由于内波在分层水体,曾被观察到在湿地中驱动对流运输。较大的粗糙度元素的存在,如涟漪,在渗透沉积物可以进一步导致平流孔隙水压力差驱动的交换。更高的上游侧的动压力这样的地形结构产生的运输水成沉积物,而在下游端低压吸孔隙水的沉积物。 生物扰动作用和bioirrigation过程的底栖动物或植物提高湿地中交换。而生物扰动作用主要是指沉积物颗粒的位移和混合,例如,蠕虫,双壳类,或鱼,bioirrigation指的冲洗和主动通风洞穴沉积物与水从上面的表面。这些过程尤为重要在贫营养水体沉积物表面仍是含氧的和不同底栖动物提供了合适的条件。在更富营养的系统的射气气泡(主要是甲烷和二氧化碳)是由bio-genic生产和产生的过度饱和孔隙水与这些气体可能有类似的效果。 原位通量测量 沉积物需氧量或从泥沙养分的释放可以整体生产率和重大的地球化学组成的特殊的湿地水体和量化通量通常是必不可少的理解生物地球化学循环中的水柱。随着这些通量强烈依赖于桶中的水动力条件,这些条件有很强的时空动态,原位测量通常是可取的。浓度的测量资料通过湿地接口能够解决扩散的子层是一种估计通量的方法。从实测断面溶解氧,如图6所示,湿地中通量可以方便地估计通过应用eqn [9]。这样的测量是使用微电极,用于大量的溶质,安装在底栖生物登陆系统。然而,这种方法有两个主要问题:首先,尽管这些微电极尖端直径很小(氧气传感器到10毫米或更少),他们展示了干扰扩散边界层内的浓度分布,同时分析。第二和更严重的问题的结果空间分布的复杂性不仅通量产生的小规模沉积物地形(cf。图7)也强烈的局部对流孔隙水交换和生物扰动作用的影响。为了克服这些问题,紊流桶内的通量可以测量一些实际沉积物表面的距离。忽视任何源或汇在采样体积之间的水体和沉积物表面,这个通量占湿地的面积平均通量包括所有nondiffusive通量的贡献。的湍流通量Fturb取决于湍流垂直速度的互相关(w)和动荡的浓度(C)波动: overbar表示时间平均。

继续阅读:电流密度的特点

这篇文章有用吗?