热液羽状流模型的建立与仿真_纠海峰.pdf

基金项目: 国家自然科学基金( 收稿日期: 2015 － 05 － 19 第 32 卷 第 9 期 计 算 机 仿 真 2015 年 9 月 文章编号: 1006 － 9348( 2015) 09 － 0404 － 05 热液羽状流模型的建立与仿真 纠海峰，庞 硕，韩 冰 ( 哈尔滨工程大学水下智能机器人技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001) 摘要: 构建符合实际海洋环境的热液羽状流模型一直是进行水下机器人追踪探测研究的首要问题。目前应用的模型都比较 单一，无法准确全面的描述羽状流特性，为了解决上述问题，提出利用一方程模型和细丝模型相结合的方法建立离散热液羽 状流仿真模型。模型考虑了湍流对热液羽状流的影响，利用一方程模型对雷诺方程进行流场求解，并利用细丝模型对羽状 物化学浓度以及细丝的变化进行计算。利用所建模型对热液羽状流进行仿真，结果显示，上述模型可以很好的模拟出热液 羽状流输运过程中的复杂形态，以及羽状物化学浓度的分布规律。对仿真结果进行数值分析后表明，上述模型在时间平均 浓度分布以及瞬时浓度随时间变化等方面与实验结果相一致，充分验证了热液羽状流模型的合理性，并且为水下机器人进 行追踪探测研究提供支持。 关键词: 热液羽状流; 一方程模型; 仿真模型; 水下机器人 中图分类号: TP391． 9 文献标识码: B Modeling and Simulation of Hydrothermal Plume Model JIU Hai － feng，PANG Shuo，HAN Bing ( Nation Key Lab． of Science and Technology on AUV，Harbin Engineering University，Harbin Heilongjiang 150001，China) ABSTＲACT: A modeling method combined one － equation model with filament － model is presented to establish the discrete hydrothermal plume simulation model，which considers the influence of turbulence on the hydrothermal plume flow． The ＲANS equations are solved by using the one － equation model，and the plume concentration and filament changes are calculated by using the filament － model． The hydrothermal plume model is simulated，and the simulation results show that the model can simulate the complex transport shape of plume，and the concentration of chemical plume distribution． The analysis of the numerical simulation results show that the model in terms of the time － aver- aged concentration distribution and instantaneous concentration change over time are consistent with the previous ex- perimental results，which can provid support for AUV tracing and detection． KEYWOＲDS: Hydrothermal plume; One － equation models; Simulation platform; AUV 1 引言 深海热液系统是观察地球内部的窗口，对于认识地球生 命起源、地球岩石圈与水圈的物质与能量交换、深海矿产资 源及生物资源的形成及分布等地球科学前沿问题具有重要 的意义［1］。从海底热液喷口喷出的热液进入海洋水体后，形 成的流场被称为热液羽状流［2 － 4］。 热液羽状流又分为浮升羽状流和非浮升羽状流，浮升羽 状流是羽状流的上升阶段，非浮升羽状流是羽状流的水平扩 散阶段。基于热液羽状流的结构特点，和现有的技术基础， 水下机器人跟踪热液羽状流的工作方式主要是以大范围搜 索与自主跟踪相结合的模式进行。 研究水下机器人进行热液