开式环境下差热式人工上升流速度场及温度场基础特性研究

摘要

人工上升流技术在改善海洋环境、增殖渔业资源、提升海洋运输安全以及河流湖泊生态环境改善等方面具有重大意义。本文提出了一种全新的人工上升流技术--差热式人工上升流技术。该技术是通过人工方式加热较深处低温水层的海水，在低温水层形成局部热温区，根据流体力学原理，流体内的温度梯度会引起密度梯度，通常高温流体密度低，低温流体密度高，因此热温区的低密度海水将在因重力而产生的浮升力作用下自然上升，产生上升流。本文通过实验研究和数值模拟的方法对开式环境下差热式人工上升流速度场特性和温度场特性展开了一系列基础性研究。
　　首先，本文根据差热式人工上升流技术特点，建立了差热式人工上升流的实验方案和实验系统，并进行了实验研究和数值模拟的前处理。
　　其次，本文利用差热式人工上升实验系统对差热式人工上升流速度场特性和温度场特性进行研究，分析了初始水温、热源加热功率以及距热源高度三个因素对上升流速度场特性（上升特征速度、有效横截面面积、上升流流量）以及温度场特性的影响。总体而言,研究结果表明：热源功率越高、环境水温越低则产生的人工上升流流速越高、有效截面积越大、上升流量也就越大。从效率上来说，对本文的实验模型而言,300W的热源功率是比较合适的。此外通过对实验结果速度场特性和温度场特性的对比分析我们证实了差热式人工上升流的产生机理是：热源加热周围水体形成高温水团，高温水团因浮力作用迅速上浮从而带动周围液体向上涌升，从而形成上升流。
　　最后，通过CFD模拟仿真了差热式人工上升流的流场。在同样的工况下，数值模拟结果与实验结果相似，验证了数值模拟模型的正确性。并且利用该模型研究了水体盐度对差热式人工上升流速度场和温度场的影响，发现对于差热式人工上升流系统，比较而言，在高盐度海水中比在低盐度海水中能够获得更大流量的上升流。