Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Влияние пространственной неоднородности гидродинамической шероховатости дна на динамику и энергетику приливов на примере Северо-Европейского бассейна

Диссертация: Влияние пространственной неоднородности гидродинамической шероховатости дна на динамику и энергетику приливов на примере Северо-Европейского бассейна
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Хорошо известно, что придонное трение является одним из основных факторов, контролирующих формирование приливных движений в мелководных окраинных морях и прибрежных водах. Обычно оно параметризуется квадратичным законом сопротивления с постоянным коэффициентом сопротивления. Между тем данные натурных измерений, выполненные в различных частях Мирового океана, противоречат этому заключению. Они… Читать ещё >

Содержание

  • 1. Существующие способы определения коэффициента сопротивления
  • 2. Трехмерная конечно-элементная гидростатическая модель
  • С)иООБ У-4 и ее модификации
  • 3. Влияние Белого моря на приливы в соседних окраинных моря Северо-Европейского бассейна
    • 3. 1. Область влияния Белого моря
    • 3. 2. Основные отличия решений в контрольном и альтернативных экспериментах
  • 4. Влияние пространственной неоднородности гидродинамической шероховатости дна на динамику и энергетику приливов в системе окраинных морей Северо-Европейского бассейна
    • 4. 1. Белое море
    • 4. 2. Норвежское, Гренландское и Баренцево моря
    • 4. 3. Чувствительность приливной динамики к пространственной изменчивости гидродинамической шероховатости дна
  • Заключение 95 Сокращения
  • Список использованных источников

Влияние пространственной неоднородности гидродинамической шероховатости дна на динамику и энергетику приливов на примере Северо-Европейского бассейна (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Хорошо известно, что придонное трение является одним из основных факторов, контролирующих формирование приливных движений в мелководных окраинных морях и прибрежных водах. Обычно оно параметризуется квадратичным законом сопротивления с постоянным коэффициентом сопротивления. Между тем данные натурных измерений, выполненные в различных частях Мирового океана, противоречат этому заключению. Они свидетельствуют о том, что коэффициент сопротивления варьирует от района к району, каждый из которых характеризуется своим составом грунта, высотой, формой и взаимным расположением элементов шероховатости, в пределах почти двух порядков величины.

Дополнительные сведения об изменчивости коэффициента сопротивления можно найти, обратившись к оценкам коэффициента волнового трения, однозначно связанного с коэффициентом сопротивления. Существует три способа определения коэффициента волнового трения. Первый из них основан на гидравлическом подходе, второй — на решении уравнений для придонного пограничного слоя (ППС) с фиксированным и априори заданным профилем коэффициента вертикальной турбулентной вязкости и третий — на полуэмпирическом законе сопротивления Ионссона. Каждый из этих способов обладает своими недостатками. Недостатки первого связаны с принятием предположения о том, что взаимодействие движений с различными частотами и пространственными масштабами может быть описано комбинацией скоростей без обращения к турбулентности различного происхождения. Второй допускает, что коэффициент вертикальной турбулентной вязкости остается неизменным во времени в течении приливного цикла и изменяется с высотой так, чтобы уравнения для ППС были разрешимы аналитически. В третьем способе считается, что распределение скорости во всей толще моря остается логарифмическим, так что сдвиг фаз между напряжением придонного трения и скоростью течения за пределами ППС можно принять равным нулю. Общим недостатком всех трех способов определения коэффициента волнового трения является отказ от учета эффектов вращения Земли, предположение, оправдывающиеся, очевидно, для волнового ППС, но не для приливного ППС.

В настоящей работе для оценки коэффициента волнового трения привлекаются законы сопротивления для осциллирующего вращающегося турбулентного потока над гидродинамически шероховатой, неполностью шероховатой (гладко-шероховатой) и гладкой подстилающими поверхностями, полученные сращиванием асимптотических разложений для скорости в придонном логарифмическом слое и в верхней части ППС. Использование этой процедуры избавляет от необходимости задания какого-либо профиля для коэффициента вертикальной турбулентной вязкости и в тоже время позволяет учесть обычно пренебрегаемый фазовый сдвиг между напряжением придонного трения и скоростью течения за пределами ППС. Указанные выше законы сопротивления встраиваются в качестве отдельного модуля в трехмерную конечно-элементную гидростатическую модель С)1ЮООУ-4, и модифицированная таким образом модель применяется для выполнения численных экспериментов, предназначенных для ответа на совершенно неизученный вопрос о том, какова роль пространственной изменчивости гидродинамической шероховатости дна и, следовательно, коэффициента сопротивления в динамике и энергетике приливов.

В связи с вышесказанным исследование влияния пространственной изменчивости гидродинамической шероховатости дна на динамику и энергетику приливов является актуальной задачей, как в динамике приливов, так и ветровых волн а, также при исследовании транспорта наносов и в морфодинамике (особенно долгосрочной).

В связи с этим цель работы заключается в том, чтобы количественно оценить влияние пространственной неоднородности гидродинамической шероховатости дна на динамику и энергетику приливов в частном случае системы окраинных морей Северо-Европейского бассейна.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Модифицировать трехмерную конечно-элементную гидростатическую модель С>иСЮОУ-4, учтя (для определения коэффициента сопротивления) законы сопротивления для осциллирующего вращающегося турбулентного потока над гидродинамически шероховатой, неполностью шероховатой (гладко-шероховатой) и гладкой подстилающими поверхностями;

• Выполнить серию численных экспериментов, служащих для обоснования возможности раздельного изучения приливов в подсистеме окраинных морей Северо-Европейского бассейна без Белого моря и отдельно в Белом море;

• Выяснить, какова область влияния Белого моря;

• Оценить влияние пространственной неоднородности гидродинамической шероховатости дна на динамику и энергетику приливов в Белом море и в подсистеме окраинных морей СевероЕвропейского бассейна без Белого моря.

Научная новизна полученных результатов определяется следующим:

• Предложена модифицированная версия трехмерной конечно-элементной гидростатической модели СШ (ЮОУ-4. Модель включает в качестве отдельного модуля законы сопротивления, описывающие зависимость коэффициента волнового трения (или однозначно связанного с ним коэффициента сопротивления), сдвига фаз между напряжением придонного трения и скоростью течения за пределами ППС и угла поворота вектора скорости в ППС от безразмерных параметров подобия — волнового числа Россби, потокового числа Рейнольдса и относительной (нормированной на приливную) инерционной частоты;

• Показана возможность раздельного изучения приливов в Белом море и соседних окраинных морей Северо-Европейского бассейна. Необходимым условием для этого является задание на входе в Белое море наблюдаемых значений приливных колебаний уровня, что эквивалентно заданию конечного горизонтального волнового переноса баротропной приливной энергии через открытую границу Белого моря.

• Локализована область влияния Белого моря;

• Получены количественные оценки влияния пространственной неоднородности гидродинамической шероховатости дна на динамику и энергетику приливов в Белом море и в подсистеме окраинных морей Северо-Европейского бассейна без Белого моря.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Модифицированная версия трехмерной конечно-элементной гидростатической модели С) иСЮОУ-4, предназначенная для воспроизведения изменений полей динамических и энергетических характеристик, индуцируемых пространственной неоднородностью гидродинамической шероховатости морского дна;

• Локализация области влияния Белого моря;

• Заключение о возможности раздельного изучения приливов в Белом море и подсистеме соседних окраинных морей Северо-Европейского бассейна, для чего достаточно задать на входе в Белое море наблюдаемые значения приливных колебаний уровня;

• Количественные оценки влияния пространственной неоднородности гидродинамической шероховатости дна на динамику и энергетику приливов в Белом море и в подсистеме окраинных морей СевероЕвропейского бассейна без Белого моря.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации модифицирована трехмерная конечно-элементная гидростатическая модель (^иСЖОУ-4 посредством встраивания модуля, предназначенного для определения коэффициента сопротивления по известным значениям параметров подобия — волнового числа Россби, потокового числа Рейнольдса и относительной (нормированной на частоту приливных колебаний) инерционной частоты. Определение коэффициента сопротивления производится с помощью законов сопротивления для осциллирующего вращающегося турбулентного потока над гидродинамически шероховатой, неполностью шероховатой (гладко-шероховатой) и гладкой подстилающими поверхностями.

Изучено влияние Белого моря на приливы в соседних окраинных морях Северо-Европейского бвссейна. Показано, что по одним только данным береговых, островных и пелагических измерений уровня, а также наблюдаемым значениям параметров эллипсов баротропной скорости приливного течения установить местоположение области влияния Белого моря не удается. Упомянутые данные позволяют лишь выяснить, что область влияния Белого моря распространяется на восточную часть Баренцева моря. Более точных сведений из них извлечь невозможно.

Выполнено сравнение результатов численных экспериментов по динамике приливов в системе окраинных морей Северо-Европейского бассейна в целом (контрольный эксперимент) и в этой же системе без Белого моря (в этом случае на входе в Белое море ставится условие непротекания). Средняя квадратическая абсолютная векторная ошибка расчета приливных колебаний уровня в Баренцевом море принимается соответствующей контрольному эксперименту. В результате оказывается, что область влияния Белого моря охватывает только юго-восточную часть Баренцева моря (Печорское море).

Помимо перечисленных выше двух численных экспериментов, выполнялся еще один, когда на входе в Белое море задаются наблюдаемые значения приливных колебаний уровня (условие, эквивалентное заданию конечного горизонтального волнового переноса баротропной приливной энергии через открытую границу Белого моря). Сравнение приливных колебаний уровня, полученных в данном численном эксперименте и в контрольном (система окраинных морей в целом) свидетельствует о том, что задание наблюдаемых приливных колебаний уровня на входе в Белое море обеспечивает весьма приемлемую точность расчета: наиболее часто встречающиеся разности приливных колебаний уровня в обоих численных экспериментах составляют ±1 см для амплитуд, ±1° для фаз приливных колебаний уровня и ±1 см/с для максимальной баротропной скорости. Последнее обстоятельство позволяет существенно упростить решение задачи о динамике приливов в системе окраинных морей Северо-Европейского бассейна в целом, сведя его к решению двух задач для подсистемы окраинных морей без Белого моря и отдельно для Белого моря.

Моделирование приливов в Белом море с учетом пространственной неоднородности гидродинамической шероховатости дна показывает, что учет этого фактора не приводит к коренным изменениям поля приливных колебаний уровня: изменения амплитуд и фаз приливных колебаний уровня получаются меньшими средней квадратической абсолютной векторной ошибки расчета. Сравнительно небольшие изменения свойственны также и другим динамическим и энергетическим характеристикам. Иначе говоря, на современном этапе развития динамике океанских приливов использование в Белом море постоянного коэффициента сопротивления вполне оправдано. Учет горизонтальной неоднородности гидродинамической шероховатости дна и, следовательно, коэффициента сопротивления станет необходимым в будущем, когда появятся приливные модели Белого моря нового поколения, обладающие более высокой точностью расчета.

Несколько иная ситуация складывается в подсистеме окраинных морей Северо-Европейского бассейна без Белого моря. В этом случае изменения динамических характеристик (амплитуды и фазы приливных колебаний уровня и максимальной баротропной скорости) также находятся в пределах уровня шума модели, тогда как изменения энергетических характеристик (плотности, горизонтального волнового переноса и диссипации баротропной приливной энергии) — нет. Выясняется, что их изменения имеют одинаковые порядки величины с самими энергетическими характеристиками. Отсюда следует, что принятия сейчас концепции постоянного коэффициента сопротивления, по крайней мере, в рассматриваемой подсистеме окраинных морей нуждается в ревизии.

СОКРАЩЕНИЯ.

КЭТ 1ематическая энергия турбулентности IBCAO rnational Bathymetrie Chart of the Arctic Ocean ППС щонный пограничный слой.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Taylor, G.I. Tidal friction in the Irish Sea Text. / G.I. Taylor // Philosophical Transactions of the Royal Society-London, 1919.-A220.-P.1 --33.
  2. , Г. И. Динамика океанских приливов Текст.-2-е изд. перераб. и дополн. / Г. И. Марчук, Б. А. Каган.-Л.: Гидрометеоиздат, 1 991 472 с.
  3. Carrera, J. Estimation of aquifer parameters under transient and steady state conditions: 1. Maximum likelihood method incorporating prior information Text. / J. Carrera, S.P. Neuman // Water Resource Research.-1986.-22.-P.199 -210.
  4. Das, S.K. On the estimation of parameters of hydraulic models by assimilation of periodic tidal data Text. / S.K. Das, R.W. Lardner // Journal of Geophysical Research.-1991 .-96.-P. 15 187−15 196.
  5. Das, S.K. Variational parameter estimation for a two-dimensional numerical tidal model Text. / S.K. Das, R.W. Lardner // International Journal for Numerical Methods in Fluids.-1992.-15.-P. 313 327.
  6. Lardner, R. W. Optimal estimation of eddy viscosity for a quasi-three-dimensional numerical tidal and storm surge model Text. / R.W. Lardner, A.H. Al-Rabeh, N. Gunay // Journal of Geophysical Research-1993 98.-P. 1 822 918 242.
  7. Smedstad, O.M. Variational data assimilation and parameter estimation in an equatorial Pacific Ocean model Text. / O.M. Smedstad, J.J. O’Brien //. Progress in Oceanography.-1991.- 26.-P. 179−241.
  8. Thacker, W. C., Long, R. B. Fitting dynamics to data Text. / W.C. Thacker, R.B. Long // Journal of Geophysical Research-1998.- 93.-P. 12 271 240.
  9. Ulman, D.S. Model parameter estimation from data assimilation modeling: Temporal and spatial variability of bottom drag coefficient in the
  10. Hudson estuary Text. / D.S. Ulman, R.E. Wilson // Journal of Geophysical Research.-1998.- 103.-P. 5531 -5549.
  11. He, Y. Shallow water tidal constituents in the Bohai Sea and the Yellow Sea from a numerical adjoint model with TOPEX/Poseidon altimeter data Text. / Y. He, X. Lu, Z. Qiu, J. Zhao // Continental Shelf Research.-2004, — 24.-P. 15 211 529.
  12. Heemink, A.W. Inverse 3D shallow water flow modelling of the continental shelf Text. / A.W. Heemink, E.E.A. Mouthaan, M.R.T. Roest, E.A.H. Vollebregt, K.B. Robaczewska, M. Verlaan // Continental Shelf Research.-2002.-22.-P. 465 484.
  13. Lu, X. Numerical study on spatially varying bottom friction coefficient of a 2D tidal model with adjoint method Text. / X. Lu, J. Zhang // Continental Shelf Research-2006.- 26.-P. 1905 1923.
  14. Sternberg, R.W. Friction factors in tidal channels with differing bed roughness Text. / R.W. Sternberg // Marine Geology.-1968.- 6.-P. 243 260.
  15. Hasselmann, K. Spectral dissipation of finite-depth gravity waves due to turbulent bottom friction Text. / K. Hasselmann, J.I. Collins // Journal of Marine Research.-1968.- 26.-P. 1−12.
  16. Collins, J.I. Prediction of shallow water spectra Text. / J.I. Collins // Journal of Geophysical Research.-1972, — 77.-P. 2693 2707.
  17. Kajiura, K. A model of the bottom boundary layer in water waves Text. / K. Kajiura // Bulletin of Earthquake Research Institute.-1968.- 46.-P. 75- 123.
  18. .А. О законе сопротивления в приливном потоке. Текст. / Б. А. Каган // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1972.-Т. 8. Вып. З.-С. 533 542.
  19. Grant, W. D. Combined wave and current interaction with a rough bottom Text. / W.D. Grant, O.S. Madsen // Journal of Geophysical Research.-1979, — 84.-P. 1797- 1808.
  20. , J. В. Bed friction and dissipation in a combined current and wave motion Text. / J.B. Christoffersen, I.G. Jonsson // Ocean Engineering.-1985.- 12.-P. 387 423.
  21. Jonsson, I.G. Wave boundary layers and friction factors Text. / I.G. Jonsson // Proc. 10th Conf. Coast. Eng. Tokyo, Japan.-1966.-P.127 148.
  22. , Б. А. О законе сопротивления для осциллирующего вращающегося турбулентного потока над шероховатой поверхностью Текст. / Б. А. Каган // Известия РАН. Сер. ФАО.-2003.-Т. 39, вып. 6.-С. 834 838
  23. , Б.А. Закон сопротивления для осциллирующего вращающегося турбулентного придонного пограничного слоя над неполностью шероховатой и гладкой поверхностями Текст. / Б. А. Каган // Известия РАН. Сер. ФАО.-2005.-Т. 41, вып. 6.-С. 844 850
  24. Fredsoe J. Mechanics of coastal sediment transport Text. / J. Fredsoe, R. Deigaard // World Scientific Publishing.- Singapore, 1992.- 366p.
  25. Nielsen, P. Coastal Bottom Boundary Layers and Sediment Transport Text. / J. Nielsen // World Scientific Publishing Singapore, 1992 — 324p.
  26. Nikuradze J. Gesetzmassigkeiten der turbulenten Stromung in glatten Rohren / J. Nikuradze // Stromungsgesetze in rauhen Rohren.-Berlin, 1932.-36lp.
  27. Lynch, D.R. A wave equation model for finite element tidal computations Text. / D.R. Lynch, W.G. Gray // Computers and Fluids-1979−7.-P. 207 228.
  28. Lynch, D.R. Three-dimensional hydrodynamics on finite elements, Part 1: Linearized harmonic model Text. / D.R. Lynch, F.E. Werner // International Journal of Numerical Methods in Fluids.-1987.- 7.-P. 871 909.
  29. Lynch, D.R. Three-dimensional hydrodynamics on finite elements, Part 2: Nonlinear time-stepping model Text. / D.R. Lynch, F.E. Werner // International Journal of Numerical Methods in Fluids.-1991.- 12.-P. 507 533.
  30. . А. Динамика и энергетика поверхностных и внутренних полусуточных приливов в Белом море Текст. / Б. А. Каган, А. А. Тимофеев // Известия РАН. Сер. ФАО.-2005.-Т. 41. Вып. 4.-С. 550 566.
  31. Smagorinsky J. General Circulation experiments with the primitive equations I. The basic experiment Text. / J. Smagorinsky // Monthly Weather Review-1963−91.-P. 99−164.
  32. Mellor, G.L. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems Text. / G.L. Mellor, T. Yamada // Reviews of Geophys. Space Phys-1982 20.-P. 851 -875.
  33. , Г. И. Математические модели геофизической гидродинамики и численные методы их реализации Текст. / Г. И. Марчук, В. П. Дымников, В. Б. Залесный.-Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-296 с.
  34. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Том 5. Белое море Текст. .-Л.: Гидрометеоиздат, 1989.-235 с
  35. , А.Ю. Полусуточные приливы Северного Ледовитого океана по результатам моделирования Текст. / А. Ю. Прошутинский // Труды ААНИИ.-1993.- Вып. 429.-С. 29 44
  36. Kowalik, Z. The Artie Ocean Tides Text. / A. Kowalik, A.Yu. Proshutinsky // The Polar Oceans and their role in shaping the global environment: Geophys. Monogr.-Florida: AGU, Wash, DC.-1991.-P. 137 158.-(Ser. 85)
  37. Padman, L. A barotropic inverse tidal model for the Arctic Ocean / L. Padman, S. Erofeeva // American Geophysical Union Electronic resource. .
  38. Geophys. Res. Lett.-2004.-Vol. 31, № 2.-L02303.-doi: 10.1029/2003GL019003.-Washington, USA, 2004-Point of access: http://www.agu.org/
  39. Kowalik, Z. A study of the M2 tide in ice-covered Arctic ocean Text. / A. Kowalik // Modeling, Identification and Control.-1981.-Vol. 2, № 4.-P. 201 -223.
  40. A.B. Анализ структуры приливных явлений Норвежского и Гренландского морей Текст. / А. В. Некрасов // Труды ЛГМИ.-1964.-Вып. 17.-С.95- 112.
  41. А.В. Расчет приливных явлений Норвежского и Гренландского морей Текст. / А. В. Некрасов // Взаимодействие атмосферы и гидросферы в северной части Атлантического океана: труды 2-ой науч. конф.-1964 -С. 123 -128.
  42. Huthnance J.M. On trapped waves over a continental shelf Text. / J.M. Huthnance // Journal Fluid Mechanics.-1975.-Vol. 69. № 4.-P. 689 704.
  43. B.B. Волны в пограничных областях океана Текст. / В. В. Ефимов, Е. А. Куликов, А. Б. Рабинович, И. В. Файн.-Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-280 с.
  44. Таблицы приливов Текст. Т. 1. Воды европейской части СССР: ч. 2. Поправки для дополнительных пунктов и гармонические постоянные приливов.-Л.: Гидрометеоиздат, 1958.
  45. Admiralty Tide Tables Text. / Admiralty charts and publications-London, 1998,-Vol. 2, NP 202.
  46. Kowalik Z. Topographic enhancement of tidal motion in the western Barents Sea Text. / Z. Kowalik, A.Yu. Proshutinsky // Journal of Geophysical Research.-1995.-100.-P. 2613 2637.
  47. Gjevik B. Model simulations of the M2 and Ki tides in the Nordic Seas and the Arctic Ocean Text. / B. Gjevik, T. Straume // Tellus Journal.-l989.-41 -P. 73 96.
  48. Chen C. A new high-resolution unstructured grid finite volume Arctic Ocean model (AO-FVCOM): An application for tidal studies / C. Chen, G. Gao, J.
  49. Дж. Динамическая океанография Текст. / Дж. Праудмен.- М.: Изд-во иностр. лит-ры 1957 — 418 с — (Пер. с англ.).
  50. У., Макдональд Г. Вращение Земли Текст. / У. Манк, Г. Макдональд.-М.: Мир-1964−384 е.- (Пер. с англ.).
  51. Munk W. Once again: once again-tidal friction Text. / W. Munk //. Progress in Oceanography-1997.^0.-P. 7 -35.
  52. Kantha L.H. Global baroclinic tides Text. / L.H. Kantha, C.C. Tierney // Progress in Oceanography-1997.^10-P. 163 -178.
  53. Heathershaw, A.D. Measurements of turbulence in the Irish Sea benthic boundary layer Text. / A. D Heathershaw // The Benthic Boundary Layer-New York and London: Plenum Press.-1976.-P. 11−31.
  54. C.C. Динамика пограничного слоя атмосферы Текст. / C.C. Зилитинкевич.-Л.: Гидрометеоиздат, 1970.-290 с.
  55. Aldridge, J. N. A high-resolution three-dimensional hydrodynamic tidal model of the eastern Irish Sea Text. / J.N. Aldridge, A.M. Davies // Journal of Physical Oceanography.-1993.-23.-P. 207 -224
  56. Davies, A.M. Modeling of the effect of wave-current interaction on three dimensional wind driven circulation of the eastern Irish Sea Text. / A.M. Davies, J. Lawrence // Journal of Physical Oceanography-1995−25.-P. 29 -45.
  57. , Б.А. Влияние гидродинамических свойств морского дна на приливную динамику в прямоугольном бассейне Текст. / Б. А. Каган, Д. А. Романенков // Известия РАН. Сер. ФАО.-2+ООб.-Т. 42. Вып. 6.-С. 777 784
  58. Mofjeld, H.O. Depth dependence of bottom stress and quadratic drag coefficient for barotropic pressure-driven currents Text. / H.O. Mofjeld // Journal of Physical Oceanography.-1988.-18.-P. 1658 -1669.
  59. Чувствительность климата Text. / Под ред. Д. В. Чаликова. Динамика климата.-JI.: Гидрометеоиздат.-1988.-С. 114−146.- (пер. с англ.).
Заполнить форму текущей работой

На отлично!