海底浊流的流动及其沉积机理的大涡模拟研究

Accurate numerical simulation of non-homogeneous, unsteady turbidity current is realized through LES with proper filter length to calculate directly most of the energy-containing eddies in turbidity currents without using of the Reynolds averaged NS equations, coupling with buoyancy-modified dynamic Smagorinsky model for small eddies below filter size. The focus of this research is placed on exploring the functioning and mechanisms of microscopic flow states such as bursts, sweeps etc. in the formation of macroscopic geomorphology related with turbidity currents based on the numerical and experimental comparative study on an easy-to-difficult sequence of lock-exchange flows, steady continuous flows on a slope, and turbidity currents in 3D sinuous trapezoidal channels and in real submarine terrain. Results of this study is expected to promote our understanding the formation and evolution mechanisms of various turbidity currents and their corresponding topography, and also to provide valuable information concerning grain sizes, porosity and permeability etc. for marine hydrocarbon reservoir exploration.

通过对不经雷诺平均的纳维尔-斯托克斯方程进行恰当尺度的过滤以直接模拟海底浊流中的多数含能涡，而对过滤尺度以下的湍流进行应用浮力修正的动力模型的大涡模拟以实现采用雷诺平均模型所不能做到的对非均衡非定常的复杂海底浊流的精确数值模拟；按从易到难的步骤进行对开闸释放型浊流、斜坡上连续入流浊流、三维梯形正旋弯曲渠道及实际海底地形下的浊流及其沉积的大涡模拟计算及实验观察的对比探索研究，重点在于探索浊流的微观流动状态如底床的猝发、扫流等在海底浊流形成的宏观地貌的作用及机理。研究成果可期在促进我们理解各种浊流及其相关地貌的形成及演化机理的同时，也能为海底油气勘探提供对有关储层的粒径分布、孔隙度及渗透性等做出有价值的预测工具。

本项目通过数值模拟系统研究了坡度对浊流的流动及其沉积的控制作用。研究确认LES在妥善处理好涡粘度上限及时间和距离步长的前提下、应用亚格子动力Smagorinsky模型和WALE模型可以模拟水下重力流。通过系统的数值模拟研究水下重力流在0~15度各种不同坡度及坡折处的的流动与沉积，取得了如下重要发现：.1..坡度对水下重力流的流动起着主导的控制作用。重力流对环境流体的卷吸系数E和坡度S存在E=0.1449S+0.0020的线性关系；整体理查德森数Ri和坡度S有Ri=0.0797S^(-0.5218)幂函数关系。它们在实验室及野外尺度下均适用，且广范围的不同入流的Ri在0.05到1.31之间变化时，E及Ri的相对偏差分别仅为6.5%和12%。 说明这些关系是稳定的，且E 比Ri更稳定地是坡度的函数，可供我们比传统的E-Ri关系更快速、准确地估算水下重力流的的夹带系数。.2..坡度控制着具连续入流的海底浊流的沉积构造的形成。按坡折由小到大的顺序，多次浊流事件分别产生三种特征明显不同的沉积构造，分别为 i）小坡度时的表面上凹、垂向均匀、沿下游方向的沉积厚度及粒径渐渐减小的沉积构造；ii）中等坡度（2～3°）时，形成向上游迁移的循环台阶构造；iii）在循环台阶形成的坡度及更大的坡折处形成一向上游迁移的具内部鲍玛沉积序列的较大隆起，这可能是部分被动大陆边缘的大陆隆的成因。.3..揭示了循环台阶的形成条件及其在初始平滑渠道上的形成机理。其形成条件为：浊流中沉积物分选差及一个偏小适中的底坡。形成机理为：i）推移质搬运在靠近入口处及靠近坡折2个不同地点产生波动；ii）较粗的沉积物沉积在推移质搬运所形成的波状地形的波谷内，形成一种粗、细颗粒间隔排列初期波状地形；iii）进一步由差异沉积形成向上游迁移的循环台阶。循环台阶是一种在海底、河流乃至山间小溪普遍观察到一种地形，本发现对于我们根据对现代地形或露头的观察准确地推测古水流乃至古环境，同时也可以帮助我们根据现代水流流动的状况，预测地形的演变。在海洋地质学、地形学、地层学及海底油气的勘探开发方面都会发挥重要的作用。