均匀各向同性湍流与海洋浮游动物相互作用机制的数值研究

Zooplankton can significantly affect the energy and material circulation in the marine ecosystem, because their sizesare comparable to the Taylor microscale of oceanic turbulence. This proposal is to investigate the interaction between homogeneous isotropic turbulence and marine zooplankton in the framework of liquid-solid two-phase flows. The distinct feature of this proposal is modeling the zooplankton as a ‘deformable finite-sized irregular particle’, which is characterized by: being larger than the Kolmogorov microscale, the irregular shape, and the capability of active and passive deformation. The essential mechanical process in this research is the non-linear interactions between the homogeneous isotropic turbulence and the motion of deformable finite-sized irregular particles. The challenge in the numerical simulation is to find an efficient way to get the correct stress acting on the particle surface. This work will provide a model solve this problem. The model is to be constructed by following the idea of ‘two-layer model’ in the large-eddy simulation of wall turbulence, but takes into account the geometrical and physical characteristics of flows near the zooplankton. The model will be used to investigate the effect of geometry shape, active deformation, passive deformation and the coupling between them on the turbulence and the motion of particles. This research will help to improve the mechanical models for energy and material circulation in marine ecosystem.

浮游动物的特征尺度与海洋湍流的泰勒微尺度相当，是影响海洋生态系统能量和物质传输的重要因素。本项目在液固两相流的框架内研究均匀各向同性湍流与浮游动物相互作用中的流体力学机制，其特色是将浮游动物模化为“非规则可变形大颗粒”。此颗粒模型的特征为：大于Kolmogorov尺度，几何形状不规则，可主动变形和被动变形。在这一研究框架下，本项目的核心力学问题是均匀各向同性湍流与非规则可变形大颗粒的相互作用。采用数值模拟研究这一问题的关键技术困难是如何准确且高效地计算颗粒表面的分布力。本项目拟借鉴壁面湍流大涡模拟“两层模型”的思路，结合浮游动物颗粒模型的几何形状及其周围流场的特征，构建颗粒表面分布力计算模型，并利用所构建的模型分别研究颗粒的几何形状、主动变形、被动变形及三者间的耦合对湍流场能量传输和颗粒运动影响的规律和机制。本项目有助于构建海洋生态系统能量和物质传输的力学模型。

本项目在液固两相流的框架内研究均匀各向同性湍流与浮游动物相互作用中的流体力学机制，其特色是将浮游动物模化为“非规则可变形大颗粒”。此颗粒模型的特征为：大于Kolmogorov尺度，几何形状不规则，可主动变形和被动变形。 采用数值模拟研究这一问题的关键技术困难是如何准确且高效地计算湍流中的物体受力。针对上述问题，本项目从粘性不可压流动的Navier-Stokes方程出发，推导了基于尾迹速度场的物体平均升力计算模型。同时，通过借鉴壁面湍流大涡模拟中“两层模型”的思路，结合浮游动物颗粒模型的几何形状及其周围流动的特点，构建了物体的受力计算模型，该模型将减少解析颗粒边界层所需的网格数，在相对较稀疏的网格上实现颗粒表面分布力的准确且高效的计算。我们利用所构建的模型分别研究颗粒的几何形状、主动变形、被动变形及三者间的耦合对湍流场能量传输和颗粒运动影响的规律和机制。特别是实现了S形平板主动变形中的流场结构与受力的定量分析，发现了S形主动变形通过增强前缘涡提高涡升力的机理。除针对Kolmogorov尺度的颗粒发展受力计算模型外，本项目还将所发展的模型推广至积分尺度的物体。此积分尺度的物体受力计算模型可用于模化鱼类和水下航行器及其与流动的相互作用。我们撰写了相关研究论文并参与了国内外的学术交流等活动。