差热式人工上升流技术基础性研究

The technology of artificial upwelling via differential heating is a new marine environment renovation technology based on the phenomena that the vertical temperature gradient of fluid, which is hot at bottom and cold at top, can cause the vertical density gradient inside the fluid, which will cause the inner vertical convection of the fluid for the reason of buoyancy. This promising technology can be used to renovate marine environment and develop new fishery resources. This subject is proposed to study the mechanism of Differential-Heating-Liquid-Upwelling（DHLU）, which is the core theoretical basis of the technology of artificial upwelling via differential heating. In this subject, the characteristics of vertical convection in seawater will be studied. The mechanism of initial upwelling production and the mechanism of lifting local liquid by differential heating will be studied as well. The influence rules of different factors in upwelling process will be studied too. Further more, the mathematical models of DHLU in different environments will be built to provide the theoretical bases for the further studies of the technology of artificial upwelling via differential heating.

差热式人工上升流技术是一种可以改善海洋环境，增殖渔业资源的新型海洋生态环境修复技术。该技术利用均温换热棒将从水表所收集到的高温热量（太阳辐射热或海表高温水热）高效传递到深处低温水层，对其放热端附近水体进行局部加热，从而在低温水层形成密度相对较低的局部热温区，这种因人为温度梯度而形成的密度梯度将迫使局部热温区的水体在浮升力作用下向上运动，从而形成上升流。本项目拟围绕差热式人工上升流技术的理论基础核心- - 差热液体提升机理，采取理论分析、数值计算和实验研究相结合的方法展开深入研究。研究内容主要包括：研究海水垂直温差对流的各种基本特性，探索初始上升流的产生机理，掌握差热液体提升的内部机制，考察液体提升过程各基本因素的影响规律，建立基本环境下差热液体提升的数学模型，初步建立差热液体提升的理论体系，为差热式人工上升流技术的后续研究提供理论基础。

差热式人工上升流技术是一种可以改善海洋环境，增殖渔业资源的新型海洋生态环境修复技术。该技术将从水表所收集到的高温热量（太阳辐射热或海表高温水热）高效传递到深处低温水层，对其放热端附近水体进行局部加热，从而在低温水层形成密度相对较低的局部热温区，这种因人为温度梯度而形成的密度梯度将迫使局部热温区的水体在浮升力作用下向上运动，从而形成上升流。. 本项目通过PIV和PLIF实验方法以及CFD数值模拟方法对差热式人工上升流流场的速度场特性和温度场特性开展了研究。探索了在初始阶段上升流的产生过程及其产生机理，发现上升流产生之初在热源周围存在着局部高温区，由局部高温区产生了一系列具有快速上浮速度的高速高温水团，高速高温水团带动周围水流上升，从而形成了具有近锥形形态的上升流。. 本项目深入考察了在开式环境下液体提升过程初始水温、热源加热功率、距热源高度以及水体盐度等因素对上升流速度场特性参数（包括上升特征速度、有效横截面面积和上升流流量）以及温度场特性的影响。研究结果表明：总体而言热源功率越高、环境水温越低则产生的人工上升流上升流速越高、有效截面积越大、上升流流量量也就越大，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。从效率上来说，热源功率并非越大越好，而是存在一个较佳值。. 本项目还初步探索了垂直管闭式环境下差热式人工上升流的流动特征以及垂直管尺寸特性参数对上升流流量的影响。垂直管内上升流的流动按上升特征速度的变化特性可以分为三个区，随高度增加分别为增速区、减速区和稳定区。闭式环境下上升流流量随着初始温度的升高和管径的增大而增大。采用导热管材时，在同等加热条件和环境条件下，开式环境下所获得的上升流流量比闭式环境下所获得的上升流流量要大两倍以上。. 此外通过数值模拟研究，本项目还初步建立了开式环境以及闭式环境下差热式人工上升流的数值模型。. 以上这些研究成果的获得为差热式人工上升流技术的后续研究提供了理论基础。