[学术] 海洋学院研究生研究成果在Physics of Fluids发表

浙江大学海洋学院海洋泥沙和环境流体力学团队在密度流方面取得新的成果，两篇学术论文“Experimental study on the vertical motion of colliding gravity currents”和“Experimental study of horizontal heated buoyant jets in a linearly stratified ambience”近期分别在流体力学领域权威期刊Physics of Fluids上发表，2017级尼日利亚籍博士生Samuel Ukpong Okon和2019级硕士生陈亚楠分别为第一作者，贺治国教授为指导老师。

 异重流对撞是两种密度异重流相向流动并产生强烈碰撞混合的过程，由此引发的物质交换对全球温盐平衡和环境动力循环有重要影响。然而，由于异重流对撞现象出现位置的不确定性以及对撞异重流流动规律的复杂性，目前该物理过程尚得到未充分解释。

2017级尼日利亚籍博士生Samuel Ukpong Okon利用粒子图像测速技术（PIV）和流体可视化技术，对密度不同的相向异重流进行了对撞实验研究。结果表明，异重流对撞轨迹与相向异重流间的密度差有关，流体垂向速度在对撞阶段达到最大值后，随混合流体继续上升逐渐减小；30组实验数据结果表明碰撞后混合流体的最大上升高度仅与碰撞前单个异重流的高度有关。此外，碰撞后的混合流体最大垂向速度仅为异重流雷诺数的函数，与相向异重流间的密度差无关。该研究加深了对异重流对撞阶段复杂流体动力过程的理解，为预测大气锋面碰撞特征和研究海洋异重流碰撞过程提供了科学依据。

相向异重流对撞过程：（a）密度相同的相向异重流对撞过程；（b）密度差异小的相向异重流对撞过程；（c）密度差异大的相向异重流对撞过程

对撞异重流的关键特征：(a) 对撞后异重流的最大上升高度和(b) 最大垂向速度随相向异重流间密度差的关系

热浮力射流是驱动全球物质能量循环的关键媒介，也是生态环境变化的重要影响因素。但是，由于水下热源的隐蔽性及其引起的水表面温度异常表现形式的复杂性，层化环境下热浮力射流与水面的相互作用机制尚不明确。

2019级硕士生陈亚楠针对“热浮力射流何种情况下能穿透水体并引起表面温度迹象”这一科学问题，利用粒子图像测速技术（PIV）和高精度热像仪（IR）分别研究了层化环境下热浮力射流动力学特性及水表面温度迹象。根据热浮力射流最大上升高度随射流特征长度的线性变化的趋势，建立可用于预测热浮力射流是否与水面接触的数学表达；该研究还通过Karhunen-Loeve(KL)方法对水表面温度脉动场进行了图像处理，提取了前四个主要特征模量，阐述了平均脉动温度场分布规律和与涡旋相关的微观流动规律；此外，在热浮力射流湍动能输运过程中，湍动能增长率主要由湍流输运项贡献。该研究结果对理解层化环境下热浮力射流与水面相互作用物理过程具有重要意义，为海洋水污染监测和水环境评价提供了理论参考。

热浮力射流最大上升高度(Hm)和中性浮力层高度(Hn)随射流特征长度的线性变化趋势

热浮力射流表面温度迹象：(a) 水表面瞬时温度场 (白色框内为表面涡旋结构); (b) 水表面温度脉动均方根分布图

热浮力射流的湍动能输运：(a) 平均对流项; (b) 湍流输运项; (c) 湍流产生项; 和 (d) 湍流耗散项

支撑该两篇论文结果的相关流体实验均使用酒精溶液对密度流进行了折射率匹配，解决了“折射率不一致导致光学图像模糊”这一关键技术问题，提高了高速相机的成像清晰度，确保了实验结果的可靠性和可重复性。

相关研究工作得到团队承担的国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等资助；特别感谢中国农业大学钟强博士在密度流折射率匹配方面的指导和帮助。

（陈亚楠）