潘定一教授課題組在《Journal of Fluid Mechanics》發(fā)表最新成果：揭示重力流界面演化機理
研究背景 重力流廣泛存在于自然環(huán)境中，是由溫度、鹽度或懸浮顆粒引起密度差而驅(qū)動的流動現(xiàn)象，典型案例包括深海陸坡濁流、河口鹽水入侵以及大氣沙塵暴等。這類流動的核心物理機制之一是坍塌階段的速度維持能力，其強弱直接決定物質(zhì)輸運的距離。已有研究表明，重力流在坍塌階段的無量綱前進速度幾乎不受驅(qū)動源類型影響，但沉降顆粒的非保守性會削弱驅(qū)動力，進而影響速度維持機制，而相關(guān)物理過程尚未得到充分解釋。本研究聚焦鹽度與懸浮顆粒共同驅(qū)動的雙驅(qū)重力流，深入分析其動力演化過程，并探討流動從鹽度主導(dǎo)向顆粒主導(dǎo)轉(zhuǎn)變的機制。此外，重力流分層的上界面與環(huán)境流體的剪切作用會誘發(fā) Kelvin-Helmholtz (KH) 渦旋（圖1），促進兩種流體間的混合。然而，顆粒對重力流界面動力過程的影響機制仍不明確。厘清上述兩種機制，對于理解自然環(huán)境中物質(zhì)輸運與沉積過程，尤其是海洋與河口區(qū)域的動力學(xué)演化，具有重要科學(xué)意義。
研究方法 研究團隊基于開源CFD平臺OpenFOAM開發(fā)了高精度和高分辨率的DNS-DEM（直接數(shù)值模擬-離散元）耦合模型。該模型通過DNS求解流體力學(xué)方程，結(jié)合DEM追蹤顆粒運動，同時引入鹽度對流-擴散方程，實現(xiàn)互溶流體動力學(xué)與離散顆粒運動的同步模擬。為驗證模型可靠性，研究首先模擬顆粒群在分層流體中的沉降過程，并分析其對局部密度結(jié)構(gòu)及流體混合程度的影響，從而確認模型在顆粒-流體相互作用方面的精確模擬能力。
圖1 重力流的界面KH結(jié)構(gòu)。
研究成果一 通過調(diào)控鹽度與顆粒對水平壓強梯度的相對貢獻比，研究系統(tǒng)模擬了不同驅(qū)動條件下重力流的演化過程。結(jié)果顯示，在加速階段及坍塌階段前期，重力流的速度變化與驅(qū)動貢獻比關(guān)聯(lián)較弱；隨著顆粒貢獻增加，顆粒沉降效應(yīng)增強，坍塌階段持續(xù)時間顯著縮短。坍塌階段的速度維持與界面KH不穩(wěn)定性密切相關(guān)。顆粒主導(dǎo)的流動更易發(fā)生界面失穩(wěn)，生成KH渦旋結(jié)構(gòu)。進一步分析表明，顆粒沉降會削弱界面層化，增強剪切不穩(wěn)定性，進而激發(fā)KH渦旋，渦旋又增強混合并促進流體稀釋，從而進一步加速顆粒沉降。這一過程構(gòu)成閉環(huán)型正反饋機制，為重力流提供持續(xù)能量補償，使顆粒主導(dǎo)的流動在速度維持方面與鹽度主導(dǎo)流動無明顯差異。
圖2 鹽度-顆粒雙驅(qū)重力流演化中鹽度空間分布（顏色表示）以及顆粒流輪廓（黑線）。自左向右，顆粒對水平壓強梯度的相對貢獻比逐漸增大。
研究成果二 研究發(fā)現(xiàn)，顆粒重力流界面失穩(wěn)的實際閾值略高于經(jīng)典Richardson數(shù)=1/4的判據(jù)，這是顆粒動力學(xué)調(diào)制的結(jié)果。KH渦旋的空間合并呈現(xiàn)連續(xù)“辮狀”拓撲；能量耗散在界面渦旋演化的早期與后期以剪切耗散為主，而在中期則以法向耗散為主。雷諾數(shù)升高會增多并增強KH渦旋，促進顆粒懸浮與流向輸運，從而延長坍塌階段。
圖3 不同計算域?qū)挾认骂w粒重力流的三維渦結(jié)構(gòu)演化：(a) t = 3.0時刻；(b) t = 4.2時刻
研究意義 該研究系統(tǒng)揭示了鹽度-顆粒雙驅(qū)重力流的轉(zhuǎn)變及正反饋機制，闡明了顆粒重力流界面KH渦旋的形成與演化規(guī)律。研究成果為海底濁流災(zāi)害預(yù)警、河口泥沙輸移預(yù)測及生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)建模等工程實踐提供了理論支持和模擬工具，有望在海洋工程與環(huán)境保護等領(lǐng)域發(fā)揮作用。
該工作以《Transition regimes of gravity current: from salinity-driven to particle-driven》和《Coupling regimes between particles and Kelvin-Helmholtz billows in turbidity currents at moderate Reynolds number》兩篇論文發(fā)表于國際流體力學(xué)權(quán)威期刊《Journal of Fluid Mechanics》。論文由浙江大學(xué)航空航天學(xué)院謝佳烽博士為第一作者，潘定一教授為通訊作者，海洋學(xué)院胡鵬教授為合作作者。研究獲得中國博士后科學(xué)基金（編號：2024M752777，GZB20240656）、國家自然科學(xué)基金（編號：12222211，12172331）和浙江省自然科學(xué)基金（編號：LZ25A020005）資助。 |
