旋转条件下羽流运动的实验研究

羽流是自然环境和工业技术中常见的流动现象。本项目研究目的源于对一些海洋现象的认识，例如水团(羽流群)下降形成的深海对流以及海底热液羽流的运动和扩散等。过去的研究表明，羽流的涡旋结构以及与周围流体的卷挟输运是它们运动的重要特征。但是涡旋结构内涡度如何变化、如何表征羽流与周围流体的卷挟输运等问题还不明确。本项目通过室内实验，研究羽流在旋转、背景流体为均匀或层结条件下的运动和动力过程。利用粒子图像测速系统(PIV) 和平面激光诱导荧光(PLIF)技术，同时测量速度和温度场的变化，精确表征羽流和周围流体的动量和热量输运，并且可以推导出涡度场的变化。此外，运用高敏测温探头测量温度的快速变化，研究羽流群内不同羽流间的耦合。预期可发现羽流和羽流群在不同环境下的动力学过程以及卷挟输运过程所遵循的变化规律，有助于深入理解包含羽流的海洋现象。此外，通过实验验证的理论预测，可以更好地应用于海洋现场观测。

通过本项目的资助，开展了深海对流流动结构动力结构，物质能量和输运和演化的研究。具体成果包括：（1）通过室内流体实验，对热羽流进行模拟研究。获得了高分辨率的流场信息和温度信号，深入分析其空间特征及随时间的演化特性。发现在层结背景下，羽流会导致周围流体的速度和温度变化呈现周期性振荡。为深海对流结构的研究提供理论支撑。（2）对以羽流为基本结构的扩散对流（温盐台阶）进行室内机理研究。发现扩散对流为暂态流动状态，期间伴随扩散对流层的生成和消亡。稳定因子是表征扩散对流层的重要参数，其大小决定了对流层的流动的状态和物质和热量输运。研究成果帮助人们理解深海对流的动力过程以及时空演变。（3）通过对北冰洋深海现场数据的分析研究，首次发现直接证据证明地热提供的热量进入海洋。显示地热对深海对流的流动结构的形成和水文变化起关键作用。其结果有助于人们评估地热对全球大洋环流的影响。