近岸水域自然对流的研究

近岸水域在日间吸收太阳辐射或夜间散失热量的过程中，由斜坡区水深变化引起的自然对流驱动了近远岸之间水循环，大量近岸水域（海洋、湖泊、水库）的观测文献表明该动力机制主导近岸缓流水域在风平浪静时的水循环，具有重要的水质及生态环境影响。本课题采用理论分析、数值模拟和室内实验相结合的方法，旨在量化自然对流的流速及温度等特性与坡度、岸距、最大水深、辐射或热通量强度、水体物性等参数之间的关系，确定可能的流态、亚区域。本课题将在博士论文的基础上将研究继续深入，使模型从热动力特征、地形特征、模型参数等方面与野外实际条件更加接近：研究周期性变化热动力下的流动响应； 研究近岸斜坡区（流动驱动力的来源）与底部平缓的主体区的相互耦合；考虑三维地形因素带来的影响； 研究高Rayleigh数所对应的湍流；分析风力及波浪与自然对流的相互作用。.研究成果对于评价缓流区水体的纳污能力，制定有效水资源管理措施具有重要指导意义。

近岸水域的水深随着离岸距的增加而增加,因此在吸收或放出相同热量时,单位体积的水体吸收或放出的热量随岸距的增加而减少,于是近远岸水体之间产生温度梯度,引起自然对流。野外实测数据已证实此对流直接关系到近岸水体的纳污能力,具有重要的生态影响。本研究旨在量化自然对流的流速及温度等特性与物理参数（瑞利数，岸距，热动力周期）之间的关系，揭示流动机制和可能存在的不同亚流域，从而为评估其生态影响提供依据。研究从水表恒温加热的情况出发，过渡到温差随时间线性增加的情况，最后到接近野外实际的水表温度为时间的正弦函数的情况。通过结合半解析解和尺度分析的方法，完成了对这三种热动力情况下自然对流的分析，得到了热对流的流速以及水温等未知量与几何参数，时间及瑞利数之间的关系，并用数值模拟的结果证明了这些量化的结果。..对于恒温加热，理论分析揭示了两种可能的流态，对于低瑞利数的情况，整个水域最终等温静止，对于高瑞利数的情况，整个流域可被划分为两个亚流域，热传导主导的近岸流域和热对流主导的远岸流域。对近岸流域，局部流速在热边界层到达坡底时最大，之后流速减小，最终等温静止。对远岸流域，当流动最终达到稳态时，水面下有清晰的热边界层并且流速稳定。尺度分析揭示了两个亚流域分界点的位置以及亚流域内流动发展的不同阶段对应的时间与速度。这些理论结果被数值模拟的结果证明并用于分析野外实地情况。..对于水表温度随时间线性增加的情况,通过比较温度增长的持续时间Ｐ与特征时间tc之间的大小关系，揭示了不同的流动情形。对近岸热传导流域，tc是水面下热边界层到达水底的时间。对于远岸热对流区域，tc是水平方向的热对流与垂直方向的热传导达到平衡时的稳态时间。结果表明若P < tc，则在增温期间流动无法达到稳态。若P >tc，则在增温期间，两个亚流域均达到准稳态。对于热传导亚流域，准稳态的特征是流速恒定并且局部水温的增长速率与水面温度的增长速率相同。对于热对流亚流域，准稳态的特征是到达准稳态时流速的增长速率相对初始阶段发生显著变化。..对于水表温度为时间的正弦函数的情况，除流速和温度以外，研究也揭示了流动响应相对于热动力的延迟，并用数值模拟的流场及温度场显示出不同阶段的流动响应。研究表明流动响应相对于热动力的延迟时间随周期的增大而减小，随岸距的增大而增大。尺度分析量化了时间延迟与周期及岸距的关系，并由数值模拟的结果证明。