[发明专利]一种深海羽流热源通量和源浮力通量的预测方法及应用

说明书

本发明涉及羽流的热源通量和源浮力通量的预测方法领域，具体涉及一种深海羽流的热源通量和源浮力通量的预测方法，包括：S1、得到单喷口热液羽流的最大上升高度和中性浮力层高度的半经验公式；S2、构建不同强度双喷口海底热液羽流的放大因子模型；S3、计算中性浮力层高度的放大系数；S4源浮力通量和热源通量的预测。本发明克服了两个源强度不同的海底热液羽流混合情况下热源通量和源浮力通量预测方法领域的空白，有助于进一步研究海底能量循环、物质循环。

技术领域

本发明涉及羽流的热源通量和源浮力通量的预测方法领域，具体涉及一种深海羽流的热源通量和源浮力通量的预测方法及应用。

背景技术

海底热液羽流是海洋与岩石圈物质与能量循环的重要组成部分，热液羽流周围也会形成独特的生物群落，一些独特的物种会完全依赖热液流体所传递的热量和化学物质。

目前，有两种方法可以羽流动力学特征，一种是基于实验或者实测影像，结合粒子图像测速技术(PIV)得到羽流动力学特征；另一种是通过数值模拟得到羽流动力学特征。其中数值模拟可以较为方便和准确地研究羽流的上升和发展过程，是研究较大空间和较长时间尺度上羽流和周围海水物质与能量交换过程的重要手段。

通过数值模拟的方法，对单一热液羽流的流场结构和动力学特征已开展了深入的研究，但在实际的热液区中，热液喷口的分布往往是密集的。当两个热液喷口距离足够近时，热液羽流之间的相互混合会导致其流场结构和动力学特征发生变化，因此单喷口热液羽流的数值模结果不适用于多个喷口的热液环境。

目前针对两个源强度不同的海底热液羽流的热源通量和源浮力通量研究，还没有先例；而同一个热液区内的不同热液喷口，其源强度往往是不同的。热源通量和源浮力通量反映了海底热液羽流在海洋与岩石圈的能量与物质交换，对两个源强度不同的海底热液羽流混合情况下热源通量和源浮力通量进行研究对开发和利用海洋资源有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决热液羽流源浮力通量和热源通量预估方法存在误差较大的问题，提供一种在两个源强度不同的海底热液羽流混合情况下，利用羽流中性浮力层高度模型计算双喷口热液羽流热源通量和源浮力通量的预测方法。

一种深海羽流热源通量和源浮力通量的预测方法，所述深海羽流为双喷口热液羽流，包括以下步骤：

S1、获取单喷口热液羽流中性浮力层高度的半经验公式Z_neutral＝C_neutral(B_exitN^-3)^1/4，

其中，C_neutral为单喷口热液羽流中性浮力层高度半经验计算公式中的经验系数；N为背景浮力频率，计算公式如下所示：

其中为当前海域的深度密度函数中海水密度相对于海水深度的变化率；B_exit为源浮力通量，受喷口质量流量Q_exit影响。B_exit和Q_exit的计算公式如下：

其中，ρ_exit为热液喷发高度范围内的热液的密度，ρ_bottom为海水底部密度，g为重力加速度取9.81m/s²；

Q_exit＝πr²V_exit

V_exit为喷口热液羽流的喷发速度；r为喷口半径

使用Ansys fluent软件，采用realizable k-ε模型，设置若干组工况，进行数值仿真，通过数据拟合，得到C_neutral的数值；