海面飞沫滴及其相变影响湍流边界层动量和热量输运的研究

Understanding the processes and mechanisms of air-sea momentum, heat and mass transfers is essential to the study of air-sea interaction, and has taken on community interests in the past. As ubiquitous phenomena on the sea surface, sea spray produced by bursting bubbles in whitecaps and wind tearing of breaking wave crests can modify transfers of momentum, heat and mass across the air-sea interface directly or indirectly. Understanding and parameterizing the impacts of wave state and sea spray on air-sea momentum and heat fluxes is crucial to air-sea interaction research, and is the physical basis of the coupled atmosphere-wave model. The study is based on the classical theory of the suspended particles in the particle-laden turbulent boundary layer. In this project, direct numerical simulations (DNS) of marine turbulent boundary layer are combined with Lagrangian point-particle tracking through two-way couplings to investigate the effects of a dispersed phase sea spray on bulk heat transport when the two phases can exchange both momentum and sensible heat as well as the mass-density. The results of this study can be used to interpret physical processes above the ocean surface, where sea spray potentially plays an important role in turbulent mining and transfer, including momentum, heat and mass transfer. The results obtained also can provide a physical basis for the establishment of a more reliable the coupled atmosphere-wave model.

探寻气-海界面的动量、热量及物质交换过程及其影响机制是海气相互作用研究的核心问题，长期以来都是大气、海洋科学和流体力学界关注的热点问题之一。作为气-海界面普遍存在的现象，海浪的破碎及海面风切削波峰等生成的海面飞沫水滴及其汽化过程对海气之间的动力学和热力学特性产生直接或间接的影响。准确地理解和模化海面飞沫滴对大气边界层动量和热量交换的影响，是涉及气-海界面以及气液两相相互作用的重要课题。本项目以在剪切湍流中悬浮颗粒运动的经典理论为基础，采用直接数值模拟结合拉格朗日粒子追踪的Eular-Lagrange方法，研究飞沫滴对气-海界面的动量、热量及水汽通量的动力学影响，探讨表面应力和热通量中飞沫滴的贡献。通过本项研究，能够深化海气表面环境水滴-大气湍流相互作用机制的认识，并对其中动量、质量和热量输运规律做出理性分析，所得的研究成果可为建立更为科学可靠的大气-海浪耦合模型提供科学依据。

探寻气-海界面的动量、热量及物质交换过程及其影响机制是海气相互作用研究的核心问题。作为气-海界面普遍存在的现象，海浪的破碎及海面风切削波峰等生成的海面飞沫水滴及其汽化过程对海气之间的动力学和热力学特性产生直接或间接的影响。准确地理解和模化海面飞沫滴对大气边界层动量和热量交换的影响，是涉及气-海界面以及气液两相相互作用的重要课题。本项目以在剪切湍流中悬浮颗粒运动的经典理论为基础，采用直接数值模拟结合拉格朗日粒子追踪的Eular-Lagrange方法，研究飞沫滴对气-海界面的动量、热量及水汽通量的动力学影响，探讨表面应力和热通量中飞沫滴的贡献。本项目在以下方面取得进展和成果：(1)对气液两相之间动量、质量和热量耦合关系进行理论分析，建立了多场多相动力学关联的数学物理模型；(2)探究颗粒\液滴对边界层动力学和热力学特性的影响以及产生机制。研究了负载细微惯性颗粒的湍流两相流传热特性，考察了流体Prandtl数、颗粒比热容和颗粒动量Stokes数对湍流热场的影响，同时分析了颗粒、流体速度场与温度场三者之间的相互关联性；(3)研究了惯性微颗粒对两相流流动阻力和传热效率的双重影响，开展了颗粒对剪切湍流调制和减阻效应的格子Boltzmann方法数值研究。考察了颗粒对流体的动量反馈和热量反馈与颗粒动量Stokes数之间的关系，探索了通过添加颗粒的方式同时实现减阻增热的可能性；(4)首次完成了波浪破碎过程中泡沫液滴的生成与输运的数值研究；(5)分析相变蒸发对水滴粒径分布和运动以及对湍流传热的影响。研究了宽粒径谱含相变的飞沫液滴对湍流边界层动力学和热力学特性的影响，分析了不同粒径液滴对两相流流动阻力和传热效率的贡献，考察了液滴蒸发效应和液滴重力效应在湍流调制中的作用。通过本项研究，能够深化海气表面环境水滴-大气湍流相互作用机制的认识，并对其中动量、质量和热量输运规律做出理性分析，所得的研究成果可为建立更为科学可靠的大气-海浪耦合模型提供科学依据。