半锥体内流体自转加速或减速问题的数值研究

摘要

使用并行有限元数值模拟方法,研究了封闭半锥体内流体在自转加速和减速过程中的动力学调整过程.结果显示,半锥体不规则的几何形状以及自转速度变化的大小是影响流体调整过程最重要的因素.与Greenspan&Howard (1963)在轴对称容器的研究结果不同,在半锥体这个非对称容器中,流场不存在地转流等值线(geostrophic contours)和可数的惯性波动模.当旋转角速度变化较小(|Ro|＜0.05,Ro为Rossby数)时,流体运动呈现弱非线性特征,流体结构无对称性(容器几何形状的影响),但Ro异号(自转加速或减速)之间满足对称关系,且粘性衰减时间与E-1/2(E为Ekman数)线性相关;当旋转速度变化较大(|Ro|＞0.05)时,流体运动呈现强非线性特征,运动形式更为复杂,湍流占居主导地位,Ro异号之间的流体结构无相关性,垂向运动加剧,流体的分层独立结构被彻底打乱,与弱非线性情况差异显著.