層結(jié)背景下熱液柱演化的實(shí)驗(yàn)?zāi)M*

屈 玲 郭雙喜 魯遠(yuǎn)征 岑顯榮 周生啟

(中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510301)

熱液柱廣泛地存在于海洋和大氣中。以海底熱液柱為例, 高溫的熱液流體從海底噴出, 不僅會(huì)改變其上層水體的物理環(huán)境, 對(duì)海洋地質(zhì)、生物和化學(xué)環(huán)境、大洋環(huán)流乃至全球氣候有重要影響(欒錫武等,2002)。一方面, 科學(xué)家在洋中脊和弧后盆地?cái)U(kuò)張脊的板塊邊界等熱液柱活躍區(qū)域發(fā)現(xiàn)大量金屬硫化物礦床(孫樞, 1995); 另一方面, 在深海熱液柱噴口處常密集棲息著一些個(gè)體巨大, 身體結(jié)構(gòu)特殊的無(wú)脊椎動(dòng)物, 其中多數(shù)是以前未發(fā)現(xiàn)過(guò)的物種。至 2000年為止在深海熱液噴口發(fā)現(xiàn)的生物種類已有 10個(gè)門,500多個(gè)種屬(馮軍等, 2005), 其特有物種超過(guò)400個(gè),特有的科為11個(gè)(Tarasovet al, 2005), 新發(fā)現(xiàn)的物種數(shù)量仍在不斷增加, 這些生物系統(tǒng)被認(rèn)為可能和生命的起源有關(guān)(Reysenbachet al, 2001); 另外, 海底熱液柱的噴發(fā)為海底提供了巨大的能量, 據(jù)估計(jì)全球海洋熱液活動(dòng)釋放的總熱量為 1012—1013W, 足以推動(dòng)大洋中層水的循環(huán), 甚至在更深層次上影響全球海洋環(huán)境和全球氣候變化(Elderfieldet al, 1996)。因此, 熱液柱研究對(duì)于海底熱液成礦、熱液噴口生物群落、熱液活動(dòng)對(duì)海洋和氣候環(huán)境的影響等研究都有重要的科學(xué)意義。通過(guò)不斷更新?lián)Q代的調(diào)查設(shè)備和手段,人們逐漸開展對(duì)海底熱液活動(dòng)的調(diào)查與研究, 同時(shí)發(fā)現(xiàn)了更多的海底熱液場(chǎng), 從特定海域的單個(gè)噴口到洋中脊的熱液噴口系統(tǒng)。人們通過(guò)對(duì)熱液場(chǎng)的位置進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)大洋中熱液柱的三大構(gòu)造背景——洋中脊、板內(nèi)火山和弧后盆地。2004年, 在國(guó)際上已宣布的全球洋中脊277處熱液場(chǎng)中, 有144處的熱液噴口已經(jīng)通過(guò)直接觀測(cè)進(jìn)行了證實(shí), 且附近均有熱液柱的發(fā)育(楊作升等, 2006)。這些不斷更新的調(diào)查結(jié)果表明, 海底熱液柱的活動(dòng)是全球海域內(nèi)常見的一種海洋現(xiàn)象。

人們對(duì)熱液柱的最初的研究是通過(guò)多個(gè)理論模型來(lái)描述湍熱液柱的物理參數(shù), 這些模型揭示了熱液柱的動(dòng)力過(guò)程主要由周圍流體的有效挾卷控制,而挾卷是由熱液柱邊緣的湍切變引起的。Morton等(1956)提出經(jīng)典的一維穩(wěn)態(tài) MTT模型, 由于它能非常簡(jiǎn)單的對(duì)湍流進(jìn)行處理, 一度是最具有影響力的模型, 許多研究者采用這種形式來(lái)研究深海熱液噴口噴發(fā)的深海熱液柱(Speeret al, 1989; Rudnickiet al,1992)。近幾十年來(lái), 多種實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模式的發(fā)展應(yīng)用表明Morton等提出的這個(gè)熱液柱模型并不能說(shuō)明一些重要的熱液柱物理過(guò)程(Valentineet al, 1989; Neriet al, 1994; Suzukiet al, 2005)。由于在實(shí)際海洋中,會(huì)有不可忽略的水平流對(duì)熱液柱產(chǎn)生影響, Fan(1967)對(duì)MTT模型進(jìn)行了修改, 添加了水平流的拖曳作用。通過(guò)他的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M, 發(fā)現(xiàn)水平流增強(qiáng)了熱液柱的挾卷。Speer(1997)通過(guò)三維、非線性的模型, 研究了巨型熱液柱受地轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。

在國(guó)內(nèi), 人們也開始逐步開始關(guān)注熱液柱, 翟世奎等(2007)從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型等不同角度了解海底熱液的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要是在高溫高壓的條件下, 偏重于再現(xiàn)熱液的發(fā)生過(guò)程及水巖的相互作用。欒錫武等(2002)主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)開展深海熱液活動(dòng)調(diào)查和理論研究。楊小龍(2008)采用大渦模擬的方法對(duì)兩無(wú)窮大平板間受熱形成的熱液柱進(jìn)行了數(shù)值模擬, 結(jié)果表明當(dāng)Rayleigh數(shù)比較大時(shí), 熱浮力對(duì)流動(dòng)的影響比較大, 形成了比較復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。張巍等(2016)采用室內(nèi)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法, 在背景線性層結(jié)的條件下, 對(duì)熱液柱進(jìn)行了研究,結(jié)果表明在熱液柱內(nèi)部及邊界存在大量的渦旋結(jié)構(gòu),伴隨著與周圍水體之間的卷挾過(guò)程, 其實(shí)驗(yàn)中熱液柱具備初始速度, 通過(guò)調(diào)整熱液柱的鹽度對(duì)熱液柱的浮力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由上可知, 目前已有的研究主要集中在海底熱液系統(tǒng)的探測(cè)、熱液柱物理模型, 而對(duì)于熱液柱在層結(jié)條件下的演化動(dòng)力過(guò)程研究較少, 尚處于探索階段。真實(shí)海洋中熱液柱具有高溫高鹽的特征, 且熱液柱噴口流體生物化學(xué)性質(zhì)特殊, 富含多種微生物和大量礦物元素。Schmidt(1941)最早對(duì)點(diǎn)源和線源羽流的發(fā)展變化進(jìn)行了研究, 他指出, 熱液柱溫度、速度分布主要受湍流對(duì)熱量、動(dòng)量的水平輸運(yùn)與對(duì)流的垂向輸運(yùn)之間的平衡控制。Morton等(1956)提出熱液柱在上升的過(guò)程中, 體積、動(dòng)量、浮力是守恒的。本文基于前人研究, 在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中, 主要考慮對(duì)熱液柱演化的動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行模擬, 把支配海底熱液柱運(yùn)動(dòng)的重要參數(shù)——浮力、層結(jié)強(qiáng)度等提取出來(lái), 忽略熱液柱噴口處海水的生物化學(xué)特性, 并最大程度地減小實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)熱液柱發(fā)展演化動(dòng)力過(guò)程的干擾。采用純水作為實(shí)驗(yàn)流體, 通過(guò)溫度層結(jié)得到密度層結(jié)的實(shí)驗(yàn)初始條件。通過(guò)粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Particle Image Velocimetry——PIV)和定點(diǎn)測(cè)量溫度的手段,在層結(jié)背景下, 通過(guò)高溫驅(qū)動(dòng)熱液柱, 對(duì)其生成和發(fā)展過(guò)程, 以及其對(duì)周圍水體的卷挾的變化等進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)置

如圖1所示, 實(shí)驗(yàn)在一長(zhǎng)方體密封水槽中進(jìn)行。水槽長(zhǎng)、寬和高分別為 25.4cm、7.5cm和30cm。水槽4個(gè)側(cè)面由透明有機(jī)玻璃制成, 以便于觀察熱液柱演化和PIV測(cè)量, 厚度為1cm; 上下底板由銅導(dǎo)熱板制成, 厚度為 3cm, 通過(guò)軟管與循環(huán)水冷機(jī)相連, 可穩(wěn)定控制水槽上下邊界的溫度。實(shí)驗(yàn)中所用流體為純水, 并通過(guò)充分沸騰去除純水中所含氣體。如圖1所示, 在水槽底板中間設(shè)置熱電阻, 電阻是圓柱狀, 長(zhǎng)為 0.78cm, 直徑為 0.33cm, 阻值為 12.71?。通過(guò)加熱使得熱電阻所接觸的水體升溫失穩(wěn)而形成熱液柱,并在浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)。根據(jù) Morton等(1956)、Turner(1986)的研究, 熱液柱的上升高度與所受浮力和背景環(huán)境的層結(jié)強(qiáng)度相關(guān), 在實(shí)驗(yàn)操作中, 為了使熱液柱的上升的最大高度小于實(shí)驗(yàn)水槽的高度, 對(duì)熱源的熱量和背景環(huán)境的層結(jié)進(jìn)行了控制。同時(shí), 為了保證熱液柱演化過(guò)程最終達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài), 對(duì)熱源的加熱時(shí)間進(jìn)行了大量嘗試, 最終確定當(dāng)加熱時(shí)間接近560s時(shí), 熱液柱基本達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。故在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為熱電阻提供7.14v電壓, 加電壓的時(shí)間為560s, 提供的熱量為2446J。在熱電阻上方0.2cm、1cm、6cm和16cm處各設(shè)置一個(gè)快速熱敏探頭(尺寸為0.3mm),以記錄熱液柱在演化過(guò)程中局部溫度的變化情況,平均采樣頻率為3.8Hz。

熱液柱速度場(chǎng)通過(guò)PIV技術(shù)來(lái)測(cè)量。如圖1左圖所示, 在實(shí)驗(yàn)流體中充分均勻的布置示蹤粒子(直徑約20μm, 密度約1.03g/cm3), 通過(guò)側(cè)邊的激光器觸發(fā)脈沖激光光柵照亮水槽中熱液柱所在的橫截面(厚度約3mm)處的示蹤粒子, 并在正面通過(guò)高速CCD相機(jī)進(jìn)行拍攝, 然后通過(guò)自適應(yīng)相關(guān)算法進(jìn)行后處理獲得流體速度場(chǎng)。相機(jī)采樣頻率為 1Hz, 分辨率為2048×2048像素, 后處理計(jì)算窗取 32×32像素, 并有50%的重疊率, 因此獲得的速度場(chǎng)矢量數(shù)為 128×128。為了獲得更高的速度場(chǎng)分辨率, 對(duì)熱電阻上方兩個(gè)不同的區(qū)域同時(shí)進(jìn)行PIV測(cè)量(如圖1所示), 拍攝區(qū)域一的范圍為 56×56mm, 拍攝區(qū)域二的范圍為122×122mm。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置、溫度探頭位置以及PIV測(cè)量區(qū)域Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup, the position of the thermistors and the PIV measurement area

初始背景水體層結(jié)通過(guò)對(duì)上下底板設(shè)置不同溫度來(lái)形成。設(shè)置上下底板溫度分別為 40°C和 16°C,通過(guò)12小時(shí)的靜置, 水體由于熱傳導(dǎo)而形成如圖2a)的垂向溫度分布, 通過(guò)狀態(tài)方程計(jì)算水體的密度分布, 從而得到表征背景水體層結(jié)的浮力頻率N,

式中 g、ρ是重力加速度和水體密度, 其計(jì)算結(jié)果如圖 2b所示, 背景水體浮力頻率約為 0.2—0.3rad/s(熱液柱發(fā)展過(guò)程中高度范圍)。

圖2　初始背景水體垂向溫度(a), 相應(yīng)的浮力頻率(b)Fig.2 Vertical profile of temperature (a), and corresponding buoyancy frequency (b) in the experimental tank

2　結(jié)果與討論

2.1　熱液柱速度特征

通過(guò) PIV觀測(cè)得到的速度場(chǎng)可以直觀地顯示熱液柱的演化過(guò)程以及速度分布特征。圖3中a—h分別為熱液柱在提供熱量的0、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0、4.8、5.6s不同時(shí)刻的瞬時(shí)速度場(chǎng)。從圖中可以看出,通過(guò)熱電阻觸發(fā)出的熱液柱具有較高溫度(約20.5°C),因密度低于周圍流體而具有正加速度, 從而其垂向速度逐漸增大; 在此過(guò)程中, 周圍純水由于被熱液柱卷挾, 因?yàn)樗剿俣确较蛑赶驘嵋褐行? 且速度大小逐漸降低, 說(shuō)明熱液柱對(duì)周圍純水的卷挾作用逐漸減弱, 而卷挾進(jìn)入熱液柱的周圍相對(duì)低溫純水導(dǎo)致熱液柱密度增大, 從而垂向加速度值逐漸減小。在發(fā)展過(guò)程中, 熱液柱的水平和垂向尺度不斷增大, 最大速度均分布在的頭部和頸部位置。從熱液柱邊緣速度特征來(lái)看, 頭部速度在 180°極角范圍內(nèi)向外擴(kuò)散;而在下端靠近根部位置, 周圍純水不斷地被卷挾到熱液柱中, 從而在頭部下方左右兩側(cè)形成一對(duì)或多對(duì)渦旋結(jié)構(gòu)。當(dāng)垂直速度達(dá)到極大值時(shí), 加速度減小為 0, 說(shuō)明熱液柱密度與周圍純水相當(dāng), 熱液柱開始進(jìn)入到中性浮力層。隨著高度進(jìn)一步增加, 由于慣性作用熱液柱會(huì)繼續(xù)上升, 但由于此時(shí)熱液柱密度大于周圍純水, 從而加速度為負(fù), 垂向速度逐漸減小直至為 0, 熱液柱達(dá)到最大高度。在此過(guò)程中, 熱液柱逐漸向四周水平擴(kuò)散, 因而其水平速度為指向熱液柱外部, 其值先增大后減小, 直至達(dá)到熱液柱邊界時(shí)為極小值。圖4為熱液柱中部橫截面典型的速度分布曲線(定義速度向上和向右分別為垂向和水平的正向),從圖 4a中可以看出, 垂向速度從熱液柱中心到邊緣呈現(xiàn)遞減趨勢(shì), 并符合高斯分布; 由圖 4b中可以看出, 水平速度從遠(yuǎn)到近首先逐漸增大, 達(dá)到最大值后迅速減小, 直至到熱液柱中心減小為零。水平速度絕對(duì)值極大值位置即為熱液柱與周圍純水的交界位置。熱液柱水平速度的這種變化表明, 在邊緣處熱液柱與周圍純水之間存在強(qiáng)挾卷, 熱液柱在上升的過(guò)程中, 挾卷大量的純水進(jìn)入其內(nèi)部, 不斷擴(kuò)充熱液柱的體積。

2.2　熱液柱的溫度特征

圖3　熱液柱的瞬時(shí)流場(chǎng)圖Fig.3 Development of the plume

圖4　通過(guò)時(shí)間平均后的熱液柱垂向速度(a)和水平速度(b)的水平分布Fig.4 The time-averaged vertical(a) and horizontal(b) velocity

通過(guò)熱敏探頭可以記錄熱液柱不同高度位置的溫度變化情況。圖5a—d依次為圖1中從下至上四個(gè)探頭測(cè)得的溫度隨時(shí)間變化的曲線。由于圖 5a為最靠近熱電阻的熱敏探頭, 通過(guò)圖 5a所顯現(xiàn)出的溫度變化特征可將熱液柱從加熱開始到停止加熱共分為三個(gè)明顯不同的演化階段(由圖中兩條虛線隔開)。(1)加熱起始階段: 此階段開始對(duì)熱電阻通電加熱, 熱電阻所在位置的流體開始劇烈升溫, 密度迅速降低, 當(dāng)溫度繼續(xù)升高使得該局部溫度與周圍流體溫度差達(dá)到一定程度, 流體開始失穩(wěn), 并形成向上運(yùn)動(dòng)的熱液柱。(2)穩(wěn)定發(fā)展階段: 熱液柱形成后開始持續(xù)穩(wěn)定地向上運(yùn)動(dòng), 固定局部位置的溫度開始緩慢增加, 溫度的增長(zhǎng)與時(shí)間成線性變化趨勢(shì), 且溫度變化呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)特征。(3)熱液柱消亡階段: 當(dāng)加熱停止后,熱電阻處局部溫度迅速降低, 熱液柱停止生成, 而其上方的另外三個(gè)熱敏探頭處溫度的變化逐漸滯后。

由于整個(gè)發(fā)展過(guò)程中溫度變化顯示出明顯的波動(dòng)性, 將溫度變化進(jìn)行低通濾波, 去掉低頻大尺度信號(hào), 如圖 5e—h所示, 在不同位置熱液柱生成和發(fā)展體現(xiàn)出明顯的溫度振蕩。通過(guò)波峰提取可得到振蕩周期T, 從而得到相應(yīng)的振蕩頻率f,

圖5　圖1右圖中從下至上四個(gè)探頭測(cè)得的溫度曲線(a—d), (a—d)通過(guò)低通濾波得到的溫度波動(dòng)曲線(e—h)Fig.5 The temperature during the plume evolution with 4 probes at different positions from bottom to top(a—d), and the temperature oscillation from low-passed filtering of a—d(e—h)

其結(jié)果如圖6所示, 盡管存在一定的數(shù)據(jù)分散性,各個(gè)高度位置的溫度振蕩頻率均為 0.1—0.35rad/s,與圖 2b中所顯示的背景浮力頻率值非常吻合, 這表明背景水體層結(jié)是熱液柱演化發(fā)展過(guò)程中溫度振蕩的主要原因。

2.3　熱液柱的湍流耗散率特征

湍流耗散率反映的是單位時(shí)間內(nèi)湍動(dòng)能在黏性耗散下轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的量度。通常, 黏性耗散表征小尺度渦的作用。關(guān)于湍流耗散率的理論大多基于局部各向同性的假設(shè), 即假定湍流在各個(gè)方向上是同性的,此時(shí)湍流耗散率是

v為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。但是并非所有的流動(dòng)都是各向同性的, 比如本文所研究的熱液柱, 是較為典型的局地軸對(duì)稱流動(dòng)。Dettleff等(1991)、Kolmogorov等(1991)和Cohen等(2000)假設(shè)湍流是局地軸對(duì)稱的, 即中心軸周圍的流動(dòng)是相似的。通過(guò) PIV測(cè)得的速度場(chǎng)可以直接計(jì)算熱液柱流場(chǎng)的湍流耗散率。在軸對(duì)稱條件下, 湍流耗散率ε表達(dá)式可以通過(guò)如下公式進(jìn)行推導(dǎo):

式中ν為流體黏性系數(shù),x1、x2和u1、u2分別為水平、垂直坐標(biāo)軸以及相應(yīng)方向的流體速度。圖 7a為熱液柱發(fā)生期間的平均湍流耗散率, 從圖 7a可以看出整個(gè)熱液柱所在區(qū)域均具有較大的湍流耗散率; 從圖7b可以看出, 在垂向上, 在熱液柱的頸部, 湍流耗散率趨于最大值; 由圖7c可知, 在水平方向上, 在熱液柱的中心位置, 湍流耗散率呈現(xiàn)最大值, 且在水平方向上的分布符合高斯分布, 與Markides等(2008)的研究結(jié)論一致, 這也是熱液柱的特性之一。與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的是, Jiang等(2014)通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬海底熱液噴發(fā), 發(fā)現(xiàn)深海熱液柱湍流耗散率最大位置在熱液噴口位置, 這主要是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)熱液柱的初始速度為零, 而深海熱液柱從地殼噴出時(shí)已具有較大的初始速度。

圖7　時(shí)間平均后的湍流耗散率(a), 最大湍流耗散率的垂向分布 (b), 垂向平均后的湍流耗散率的水平分布(c)Fig.7 The time-averaged dissipation rate distribution of steady plume(a), the vertical profile of maximum dissipation rate(b),and the horizontal distribution of the vertical-averaged dissipation rate(c)

2.4　熱液柱的卷挾率特征

熱液柱發(fā)展動(dòng)力過(guò)程不僅受自身浮力所控制,還與周圍流體的卷挾混合作用密切相關(guān)。Morton等1956年首次提出經(jīng)典的一維模型(MTT model)來(lái)描述熱液柱的動(dòng)力學(xué)發(fā)展過(guò)程, 為了封閉方程組, 他們引入卷挾率α來(lái)定義熱液柱邊界處流體水平速度u1max與熱液柱垂向速度u2max的比值,

并取定常值α=0.13。卷挾率α定量刻畫出了熱液柱對(duì)周圍流體的卷挾作用, 該模型隨后被廣泛應(yīng)用于大氣、海洋等自然界以及工業(yè)和日常生活中熱液柱現(xiàn)象的研究和應(yīng)用。但在后來(lái)的一些熱液柱室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)卷挾率α的值介于0.1到0.16之間(Fischeret al1979; Chenet al, 1980; Kaminskiet al, 2005), 盡管并不是常數(shù), 但仍然接近0.13。而另一方面,Papanicolaou等(1988)通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)α值在 0.02到 0.12之間, 具有較大的變化范圍。最近, Matulka等(2014)進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)α值介于 0.16到0.9之間, 并解釋熱液柱源條件、熱液柱本身湍流變化特征、以及背景層結(jié)變化等都是造成α值變化的主要原因。

圖 8顯示了本實(shí)驗(yàn)中卷挾率沿?zé)嵋褐叨鹊淖兓€, 在本文中卷挾率的正負(fù)值分別表征周圍水體的卷挾進(jìn)與卷挾出。在熱液柱熱源處是熱液柱卷挾周圍流體的主要區(qū)域, 可以看到α值從0到0.13之間變化, 且隨著高度的增加先增加再減小, 這主要是由于熱液柱在初始形成時(shí)迅速向上升, 需要周圍水體快速對(duì)其進(jìn)行水體補(bǔ)充, 在繼續(xù)上升過(guò)程中密度逐漸增大, 湍流強(qiáng)度逐漸減小, 導(dǎo)致熱液柱邊緣與周圍流體的卷挾混合作用降低, 隨著熱液柱高度不斷增加, 卷挾率在熱液柱頸部減小至0后變?yōu)樨?fù)值, 且絕對(duì)值逐漸增大, 在熱液柱頂部卷挾率高達(dá) 0.3, 這是由于熱液柱隨著高度的上升, 由于不斷與周圍水體進(jìn)行混合, 密度與周圍水體的密度趨向一致, 浮力通量不斷減小, 其垂向加速度逐漸降低, 在熱液柱的密度與周圍水體的密度達(dá)到一致后, 即在熱液柱的中性浮力層高度處, 熱液柱開始向四周延伸。

圖8　卷挾率沿?zé)嵋褐叨鹊淖兓疐ig.8 Variation in entrainment rate with the height of the plume

3　結(jié)論

本文通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了層結(jié)背景下熱液柱的生成和演化過(guò)程, 對(duì)熱液柱速度場(chǎng)和溫度變化特征進(jìn)行了測(cè)量和分析, 得到如下結(jié)果:

(1) 再現(xiàn)了熱液柱發(fā)展的動(dòng)力學(xué)過(guò)程, 對(duì)其速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征、以及沿?zé)嵋褐行木€和橫截面速度特征進(jìn)行定量的分析和研究。熱液柱受向上的浮力作用,先是迅速上升, 垂向速度不斷增加, 在熱液柱的頸部和頂部出現(xiàn)的最大值, 在水平方向上, 垂向速度呈現(xiàn)高斯分布, 即在熱液柱中心位置垂向速度最大, 向四周方向延伸不斷降低; 而熱液柱的水平速度則在熱液柱中心位置處最低, 幾乎為 0, 向四周方向延伸逐漸增大, 在熱液柱邊界處出現(xiàn)最大值, 隨后再逐漸減小; 這表明在熱液柱中心位置處, 以水體向上升為主,在熱液柱邊緣處, 以與周圍純水相互交換卷挾為主。

(2) 熱液柱發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)典型階段, 即加熱起始階段、穩(wěn)定發(fā)展階段和熱液柱消亡階段, 發(fā)現(xiàn)熱液柱的溫度存在周期性振蕩現(xiàn)象, 且其振蕩頻率與背景水體層結(jié)構(gòu)浮力頻率相當(dāng)。

(3) 分析了熱液柱湍流耗散率和卷挾率的分布,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱液柱出現(xiàn)區(qū)域的湍流耗散率明顯高于周圍背景; 熱液柱卷挾率并非常量, 其值在-0.30—0.13之間變化, 并隨著高度的增加而減小。在熱液柱熱源處是熱液柱卷挾周圍流體的主要區(qū)域,α值從 0到 0.13之間變化, 且隨著高度的增加先增加再減小,隨著熱液柱高度繼續(xù)不斷增加, 卷挾率α在頸部減小至0后變?yōu)樨?fù)值, 且絕對(duì)值逐漸增大, 即在頂部熱液柱不斷向四周溢出延伸。

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