Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование циркуляции и динамики взвешенных частиц в мелководной зоне Черного моря

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование циркуляции и динамики взвешенных частиц в мелководной зоне Черного моря"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ВДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

5 ОД На правах рукописи

УДК 551.465

ЛОНИН Сергей Анатольевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ И"ДИНАМИКИ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ В МЕЛКОВОДНОЙ ЗОНЕ ЧЕРНОГО МОРЯ

Специальность 11.00.08 - океанология

. АВТОРЕФЕРАТ , - " диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ -1994

Работа выполнена ва кафедре динамики океана Российского государственного гидрометеорологического института.

Научный руководитель - доктор физико-иатеиатичеоких наук, профессор Б. А. КАГАН.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Л. А. РУ20ВЕЦ, кандцд&т физико-матеиатичеоких наук И. А. НЕЕЛОВ.

Ведущая организация: Санкт-Петербургское отделение Государственного океанографического института

26 МАЯ •

Защита состоится и 1994 г.

в час. 00 миц. ва заседании Специализированного совета

К. 063.19.01 в Российском Государственной гидрометеорологическом

институте по адресу: 195196 Санкт-Пстербург.ЫалооЕПШский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского Государственного гидрометеорологического института.

Автореферат разослан 15 ^пр^лй 1994 г.

Ученый секретарь . ¿пециалазированного совета

. ШШ . в. Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Математическое моделирование реальных водных объектов в последнее время становится практическим инструментом в решении прикладных задач, связанных с охраной и рациональным использованием ресурсов окружающей среды. Северозападная часть Черного моря (СЗЧШ и лиманы причерноморского бассейна не являются в этом смысле исключением. Антропогенная нагрузка на этот регион обусловливает необходимость создания комплексной системы екологического мониторинга, в которой гидрологический блок является одним из главных, поскольку распределение загрязняющих веществ подвержено влиянию гидрофизических факторов среди. Этот блок долкен содержать комплекс математических моделей для описания пространственно-временной • изменчивости .гидрофизических полей.

Естественно, что созданию такой оперативно действующей системы додано предшествовать комплексное изучение закономерностей формирования гидрофизических полей в этом регионе.' Это изучение должно идти по пути уточнения существующих представлений о чертах гидротерлодинашгаеского режима я поэтапному усложнению модели за счет ыиючешя в нее различных физических процессов. Например, бесспорным считается ваяное влияние стратификации термического и халиниого происхождения на динамику мелководных акваторий. Однако взвешенное везество органического и неорганического проиеховдеззия токт влияет на стратифика]цно плотности и втот рффект необходимо у-штаэзть • при моделирований динамики мелководного водоема.

Пела и задачи работы. Цель работы состояла в выяснении основных. закономерностей формирования циркуляции в СЗЧМ , воепро-

изведении типовых полей течений в этой зоне моря и в оценке влияния взвешенного материала на динамический режим мелководного водоема.

Для достижения етой цели необходима разработка математической модели циркуляции вод полуограниченного (ограниченного) водоема, предусматривающей возможность уточнений решения в интересующих зонах и модели динамики системы вода-взвесь с учетом вет-ро-волнового взмучивания донных отложений и обратного влияния стратификации, создаваемой взвесью, на параметры системы. Для изучения втого физического явления было выбрано придунайсксе озеро Сасык, расположенное в -системе лкданов северо-западного Причерноморья.

Научная новизна. На основе известной постановки задачи гидротермодинамики осуществлен переход к обобщенной -криволинейной системе координат и предложены условия согласования для динамических переменных на жидкой границе области при использовании В-сетки Аракавы. Получены типовые.поля точений в СЗЧМ г! установлены основные особенности циркуляции В- этом .бассейне. На основе решения задачи динамики двухфазной ¡едкости в мелководном замкнутом водоеме впервые обнаружено сущеотрование нелокальной обратной связи в системе вода-взвесь, обусловленной влиянием суслен^ ' знойной стратификьции на баротропную циркуляции, выявлены осцилляции решения относительно состояния предельного насыщения, связанные с инерционностью процессов и произведена оценка вклада •'оуспрчзионной стратификации в динамический реши водоема. ' .

Практическая значимость работы заключается в возиоаноота ев, использования в прикладных задачах ег-олоигк литодкнамика щи-Срекной зоны моря и мелководных водоемов. Результате ве'СА.дова-Ш1Й »сшсии зоь'алцсъ при выполнении научио-иаеладоввтельской тииы

"Комплексные оценки динамики наносов в порту Усть-Дунайск" (1993 г.).

Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что: _ •. ■ ■ .

1) в исследовании использованы физически обоснованные математические модели; -

2) воспроизведенные расчетами закономерности .циркуляционного режима СЗЧМ согласуются о общими представлениями о динамика вод а этой акваторщ;

3) рассчитанные и измеренные значения скоростей течений и мутности воды в озере Саоык сопоставимы друг о другом.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научной конференции Одесского гидрометеорологического института (1990.г.), конференции "Экология моря" (Одесса, 1991 г.), -международных симпозиумах. "Екология*92" (Болгария, 1992 г.), "Антропогенная вкология шельфа, устьев рек и лиманов" (Одесса, 1992 Г.) и "Антршогедаое влияние на бассейн Черного и Азовского морей" (Севастополь, 1993 г.). Полностью дисс&ртацирнная работа обсуждалась на семинаре кафедры динамики океана РГГШ (1994 г.).

: Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 статьи.

Автор выносит на защиту:

1. численную гидродинамическую модель в обобщенной ортогональной системе координат;

2. результаты расчета типовых ' полей течений для северозападного шельфа Черного моря;

. 3. трехмерную численную модель двухфазной жидкости вода-взвесь для мелководного водоема;

4. результаты моделирования влияния взвеси на динамический режим мелководного водоема.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из вг.едеиия, ;. 'четырех глав и заключения. Общий объем работы составляет 135 страниц, количество иллюстраций - 44. Список литературы оодер«ит 95 наименований. »

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цель и задачи работы, излагается ее краткое содержание, научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту,

В первой Главе рассматриваются гидрофизические процессы^, протекающие в полуограниченныхмелководных водоемах и дан краткий обзор существующих математических моделей, описывающих вти ПрОЦеОСЫ. ' -''г-''!.--- ' ' ' ''■•:;.-'.'■■■ ■ _ ■

Основною причинами, выаывадвдши циркуляции) в мелководных системах, являютоя напряжение трения ветра на поверхности воды, , оток рек и передача ишульеа через «дкую-границу.Вакнуюрольв : динамике водоемов играют стрвтифвцирузвде факторы термохалинного ; . проиохокдеыгя. Возникнованве отрапфпощии проводит, к ослаблению , рейнодъдсошх напряжений в хадкоота посредством затрат турбулен-. тной енергии на преодоление с&д шцшучести.Зто, а овою очередь, вызывает'усиление окороотей течений. Не ся^/атэфикацшэ плотности та:«о оказывает влияние взвешенное вещество органического в неорганического происхождения, причем,, наиболее важным источником поступления минеральное аавеои олуяи* вроэия ь нивх отложешй. Насколько суспензионная стратификация способна повлиять ка турбулентный режим изввотаотолько из екслеримевта^мшх * оценок во грацж зихся лотках и в пяв'.етарном похфанич^ои слав ок&анаЧекс-'ларимек? }72аЮХ). Представляется* чтф втот -дффвк*1 ииюет взжное ¿у.ачеше в мелководных водоемах:, побкавьцу -^ъэеп^&мтв

верхнсстного ц придонного пограничных слоев, интенсивное ветро-волновое взмуивание дне может приводить к значительно более сальной стратификации, создаваемой взвесью, чем температурой или соленостью.

В современных гидро- и литодинаиических моделях, как правило, суспензионная стратификация не учитывается. Наиболее полными, о точки прения физического обдеркания, являются. трехмерные неотацишарвдемоделигидротермодинамшш с кинематическим усло-;. вием на свободной поверхности и достаточно высокт: уровнем замыкания турбулентных моментов. Моделирование процессов б областях ■ , сложной формы определит необходимость использования в этих моделях криволинейной обобщенной системы Координат, согласованной о конфигурацией области. Это позволяет наиболее точно описать конфигурацию береговой линии при переходе к дискретным сеткам, детализировать решение в определенных зонах посредством сгущения в них сеточных линий Л упрощает постановку граничных условий на береговом контуре без существенного усложнения уравнений модели.

Если на твердых учагчгках граниаы удается сформулировать в достаточной степени обоснованные граничные условия, то не жидкой чести контура ето можяо оделать лишь-формально. Проблема краевых условий дтя полуограничанких областей является достаточно сложной в связи с отсутствием данных измерений на границе. Телеско-шзация модельной области приводит к несогласованности решения на открытой границе, полученного на грубой сетке, с решением внутри исследуемой области на мелкой сетке. Если пренебречь влиянием крупномасштабных процессов ко всем бассейна не решение в ограниченной области, то для этой области -.локно использовать' граничные условия вычислит льного типа, ;т.е. определять их из решения задачи внутри области. В системах,Гиперболического типа

для втого часто применяют условие излучения Зоммерфельда. Этот метод также получил широкое распространение в задачах еллрптиче-ски-параболического типа, несмотря на отсутствие математического обоснования корректности такой постановки задачи. Другая возмож-ноеть заключается в задании фоновых значений переменных на границе. Однако несогласованность масштабов задаваемых и рассчиты-' ваемых полей и их энергетическая несбалансированность могут приводить к существенным неточностям в решении.

Аппроксимация уравнений модели на сдвинутых сетках также создает специфические трудности о постановкой граничных условий на жидком контуре, поскольку расчетные точки для переменных не совпадают друг с другом. Например, решение задачи . гидродинамики в терминах функции тока - вихрь на разнесенной сетке требует задания граничных условий для втих переменных-® точках, не совпадающих с узлами для огфед«йе»тя~"с*орости. Поетому необходимо проводить согласование условий для втих переменных, пользуясь определенными физическими требованиями. • '

Во второй главе дается общая постановка задачи динамики мелководного водоема в декартовой системе координат, осуществляется переход к обобщенной ортогональной системе и приводится численная аппроксимация уравнений модели на В-сетке Аракавы.

Уравнения модели в криволинейной ортогональной (на горизонтальных поверхностях) сиотеме координат { » {(ад), ч =.-П(х,у,г) , в в к/Н на р-плоскооти в приближениях Буссинеска принимают вид • *. .. зи1/^ - хи2= -8п/р0Р? - 81эрен/р0 +

+ Н"аЭ/е0(К аи'/вв) + Р(и') - ь(и') , (1)

и • •

эиат + ги4= -в3а/р0Рч - ' +

4 Н"аэ/э0(кйзиа/эе) + Р(и2) - ни2) ,

(2)

з/э$и и1) + э/зп^ и2) 4 з/зеи и3) = о , (3)

' ЭР/39 = Р гн , (4)

3(1,Б)/^ + и^СТ.Б)^ + и3Э(Т,8)/Эп + и38(Т,5)/эе =

• » М*;8) + В. п(*,8) (5)

о ?»Ч ,

к9= ь^-Чаи/з^О - йг)1/а, .. (б)

Р - р(®,8), " ' (8)

где V . - ' '

Р(0) = J",[э/з5(Jg1U]Líзu/з5)+э/эп(Jg2ЯALI)aiLf/эr))^,

Ь(и) а и^эи'/эс1 + г']ик) ,

* . • 1.«

ве(м) - к~аг1д/аЭ№вта{ч,в)Г8д) ,

II1- ооог1 авлягацие контравариантйой скорости; t - время; I - параметр Коряолиоа; Р, р - г/дроотетичеехоа давление и плотность вода; Н - глубина; g - уокорэщт свободного падения; д1контра-аариантные компоненты метрического тензора преобразования координат; 3 - якобиан преобразования; - температура и соленость

вода; Ъ - макромасштаб турбулентных вихрей, рассчитываемый по формуле Монтгомери; Кп, А,,- коэффициенты вертикальной и гори-

и Ь» 1

зонтальной турбулентной вязкооти, соответственно; ЙГ - динамическое число Ричардсона; с - окорооть диссипации турбулентной энергии; А = А({,г))~ шаг конечно-разностной оетки; г',- символы

с «I

Кристоффеля II рода.

В качестве граничных уоловий по вертикали для системы (1)-(8) принято

кв ^/89\в.о в - 1е.0= н р1в.о=

и31в,0е 05 Кв - - ФьН/р0 ; К6^ЭЦ/д& |в„= 0 ;

0э|вв1« и'вн/в{ + ияЗН/Зп, (9)

где т , Т.-. контравариантные вектор касательного напряжения

во

трения ветра и донного трения; ¡1 * (Т,Б); ¡¡*- наблюдаемое значение температуры или солености; 0 - параметр релаксации.

На береговом контуре задаются условия прнЛшанйя для скорости и теплосолеизоляцая, в уотьях рек - раоходы воды и значения температуры и солености. На кидкойгранице в общем' случае принимаются фоновые-значения скоростей течений, а температура и соленость рассчитываются из одномерного (по вертикали) уравнения (5). ' . : : ■.■'-• ■='.•. •;

Пооле введения определения функции тока у посредством соотношений «г.и1 е - э*/ап5 ■ аШЬ » л/Н;

к1 «в; и'ае I . - » н х и3йв . / систёыа (1)-(Э) преобразуется к уравнению дня функции тока

->

и уравнению для сдвигов скорости U - и . Здесь g = 1/g1! Я (£), Й{)?) - компоненты вынуздзющих сил баротропной циркуляции; к - индекс горизонта по вертикальной оси в.

Расщепление исходной системы (1)-(3). на два эволюционных, уравнения требует постановки граничных условий для- новых переменных. Поскольку оператор, действующий на функцию сдвига скоро-ora Sh, не содержит пространственных производных по £ и г), это уравнение нуждается лишь в граничных условиях по вертикали» Для уравнения эволюции завихренности (10) на Гтв, согласно условию прилипания,.

3Y/9N я О, Y = Const. (11)

На жидком,контуре IV области функция тока У может быть определена интегрированием значений U вдоль жидкой границы, т. е. на (¡-линиях границы

»J J Т d9 d?, (12)

гж 0

на rj-линиях ;

* - Тоя- S J rüi' d9 do, *.Л (13)

г_ о

Ja •

где * и * ' - граничные значения функции тока на береговой линии, смежной о Гж. '

При численном решении задачи используется комбинация явных и неявных методов аппроксимации по времени, сдвинутые сетки о неравномерным шагом по вертикальной координате" и В-сетка Аракавы для горизонтальных переменных, а также методы пространственной дискретизации, обеспечивающие выполнение законов сохранения как для каждой отдельной ячейки, так и для всей области а целом.

В третьей главе приведены результаты численного моделирсва-НИЯ ДЛЯ СЗЧМ.'-ч' :/. ; : • •

В п.3.1 рассматривается метод построения.'ортс^скальнсЯ кри-.

волинейной сетю^для этой области. Для генерации сетки используется уравнение Лапласа . •

а/ацх + а/ац(Х~*4$/ап) = о, (14)

где Х(5,п)=(8аа''811)1у'г» $(х.у) - декартовы координаты сетки в вычислительной области. В качестве дополнительных условий, для уравнения (14) используются значения самих функций £ на границах области и условия ортогональности

Хх?= уч ; х^« - , . . (15)

из которых определяются гранич!»'е значения функции 1. Внутри области последняя вычисляется с тт'мощно процедуры транофшитной интерполяции. Построенная криволинейная сетка для СЗЧМ соответствует отображенг о области Ь-образной ' формы на прямоугольную 1г-образную расчетную область. В отличив от данного случая отображение на четырехугольник приво^иСк сильной деформации сетки в некоторых точках расчетной области.

В п.3.2 формулируются краевые условия вычислительного типа и условия согласования динамических переменных на открытой границе СЗЧМ. Использование вычислительных граничных условий ооно-вано на предположении-о том, что внешнее динамическое воздействие, в частности, Основного Черноморского течения на шельфовую зону незначительно. В данной работе для средней по вертикали скорости применено условие Томана и Шевчика

эи'/зп = О , (16)

где п и 1 - единичная нормаль и касательная к контуру Га , нормальная к Гж компонента скорости вычисляется в узлах дл(. 1 из соотношения и"» Функция тока у,' согласно (16), опреде-

ляется из вкстраполяционного условия

Э/ап(а, .¿Г'вф/Эп) = О. (1.7)

7аким образом, граничные переменные ф и и будут согласован-

ними друг с другом. Этот результат может , быть распространен на случай определения полной скорости и'= и'+ и'1, если пренебречь "эффектами сдвига" в выражении (10) и полонить

}{?(«) - Ь(и)М0|_ а - Ь(0) , ■ о ж

в в уравнении для сдвигов скорости вк опустить эти слагаемые.

С целью проверки эффективности работы этих граничных условий были выполнены численные эксперименты, в одном из которых ■» ■ •*

полагалось Р(и) |-р= Ь(и) |г= О, в другом - эти величины рэссчиты-» ж

вались на жидкой границе по предложенной методике. Расчеты проводились до момента установления поля течений, который определялся по средней в СЗЧМ кинетической энергии при выходе системы из состояния покоя. Эксперименты показали, что использование условий согласования динамических переменных позволяет уменьшить ложный каскад внергии к более высоким волновым числам в окрестности Гж. В некоторых точках границы уменьшение паразитных возму-' (цений достигает 30%. При большем измельчении шага сетки в опрес- . тности границы подобные различия будут более значительными.

В п.3.3 представлены результаты моделирования типовых полей течений в СЗЧМ для четырех основных типов атмосферной циркуляции, которым соответствуют следующие поля ветра: а)"летние" типы (северо-западный и южный ветра Ъ м/с); б)"зимние" типы (северный и северо-восточный ветра 8 м/с). Поле'ветра над акваторией СЗЧМ в каждом случае считалось однородным по пространству и действующим достаточно долго для установления соответствующего типа циркуляции вод. Интегрирование уравнений модели проводилось из состояния покоя до выхода системы на стационарный режим. Как пока- -залп численные эксперименты, стационарное состояние устанавливается через 3-5 суток после начала интегрирования. !

Обрагцавт на себя внимание следующие особенности циркуляции.

Во-первых, сток рек (Днепр, Ю.Буг, Днестр) не оказывает оущеет- . венного влияния на кинематику течений (в данном случае не рассматривается опосредованное влияние трансформированных речных вод на турбулентный режим и течения). Во-вторых, щи северозападном ветре, характерном для летних условий, у западного побережья формируются два топографических циклонических образования о более' слабой циркуляцией. В-третьих, при северо-восточном ветре, благодаря компенсационн' «у градиентному переносу, в Кар-кинитском заливе фодоируетоя анг гаклонический вихрь', а в районе Тендровской косы - топографический меандр, который при северном ветре выделяется ч самостоятельный антициклонический вихрь. Следует также отметить, что для всех рассмотренных-ветровых ситуаций за исключением северо-западиого - ветра характерны интенсивные течения вдоль западного побережья, включенные в систему топографических вихревых образований. Почта все из перечисленных выше черт интегральной циркуляции СЗЧМ удалось воспроизвести благодаря достаточно высокому пространственному разрешению морфометрии бассейна и естественному отображению береговой черты на границу модельной области.

Четвертая глава посвящена вопросам моделирования двухфазной жидкости вода-взвесь в замкнутом мелководном водоеме.

Система уравнений динамики двухфазной кидкооти в*декартовой системе координат (х.у.г) включает в себя уравнения (1)-(6) с -учетом молекулярной вязкости и диффузии субстанции и уравнение состояния двухфазной средаг а%/ах + + *гэ$/зг + 2йх$ =-р*1^ + + '

V э/зг[(КЖ+ •' 'V (18)

. ЭР/32 = pg , (19)

эи/зх + ач/ау + <№/аг, = о , (20)

(21) (22)

(23)

Р « ри(Т)(1-Оу) + РвОу , (24)

где рм, ро ,р - плотность чистой воды, взвешенных частиц и смеси, соответственно; О, С^ - массовая и объемная концентрация взвеси; У, х„> X -молекулярные кое$фициенты вязкости воды, ее

. Т. о

теплопроводности и диффузии твердой фазы, соответственно; V/ -скорость Гравитационного оседания частиц; <3Й- поток коротковолновой солнечной радиации, проникающей в толщу вод; а ,С - «мш-

• .. -V- ОС

рические константы.

Граничные условия на Г" для системы (18)-(24) аналогичны ■ <*

^ условиям, принятым в главе 2. На поверхности озера а = О и на

дне а » Н(х,у) задаются следующие условия: I (Кж+ * - р"' 1в .; *? = О ; (атКж+ хт)дТ/32= - 0Т ;

Р ■ 0 $ -1Г0 + (аоКв+ Хо)ёО/8Я «О при 2 = О; (25)

ЭТ/а1; + (У?)Т + изТ/йи = АьтЛТ +

+ д/ЫЫЛ 4- х„)эТ/32] - 30 /32 ,

Т Я 1 н

к с-,/аьа

к с

(1-яг)

1->а

ас/эг + (77)0 + (и + «г )зо/зй = а, „до + + в/ае[(<* К + X )30/эг] ,

ох. о

(26) (27)

Здесь СЦ-.удельный поток тепла на поверхности озера; Е -поток взвешенных частиц, обусловленный процессами турбулентного взмучивания щ гравитационного осаждения взвеси. Последняя величина может быть связана с равновесной концентрацией Св соотношением-

Е = V (0 - 0) , . (28)

9 е

и рассчитана по методу Ван-Рейна.

Граничное условие (25) для взвеси описывает равновесие между потоками турбулентной диффузии и гравитационного оседания частиц в поверхностном слое жидкости. Условиям етого баланса соответствуют значения параметра взвешивания и^/х и,в« 1. При ослаблении турбулентности или ее выроаденш в слое жидкости (в том числе и вблизи ее поверхности) последнее неравенство пёреотает выполняться. Происходит переход от турбулентного режима взвеши-вштоя частиц к режиму полного гравитационного осаждения и вместо краевого условия (25) для вэвеоинеобходимо доложить С(г « 0)«0.

В граничном условии (27) первое выражение используется для гидродинамически шероховатого два при его врозии, второе опреде- ' .ляет полное осаадение взвеси.* ' •

Для мелководного водоема основной причиной, приводящей к эрозии донных отложений, является воздействие воль в придонной области потока. Дйя того чтобы наиболее просто учеоть вту особенность, отличающую мелководную систему от планетарного приданного пограничного слоя в океане, сделаны следуют допуцэкия!

• ч) продуцируемые волнами добавочные рейнольдбова напряжения ' г ооадаит дополнительное турбулентное первыесншакйэ только в непосредственной окрестности дна (в ьолновш слое малой тогауаш тогда гак V шшэлохлцем слое ядцкоотм имеет'.мэото потенца-'

альное волновое движение;

2) вся турбулентная енергия, генерируемая волнами, расходуется на взвешивание донных отложений, и влиянием волн на течения можно пренебречь.

Модуль вектора аффективного напряжения донного трения х , по величине которого рассчитывается равновесная концентрация-в формуле (28), можно представить в виде:

Х.,Г 1*ъ! + У***)1". (29)

где напряжение донного трения 1Ь, генерируемое сдвигом скорости течения у дна, рассчитывается по формуле:

4

(К + И) 84/82 = - .

5Г г О Ь

Численная реализация блока переноса взвеси (уравнение (23) с соответствующими граничными условиями) производится с использованием двуциклического покомпонентного расщепления с последовательными прогонками по каждой координате на основе даухшагово-го метода коррекции потоков (УСТ - алгоритм). Это связано с не-транспортивностью консервативной конечно-разностной '-¿¡хемы, используемой для аппроксимации однотипного уравнения переноса тепла (21). Последнее обстоятельство имеет существенное значение, поскольку при интегрировании уравнения' (23) методом, не обладающим свойством транспортивности, возможно получение отрицательных значений концентрации взвеси. Это особенно важно для частиц достаточно крупного размера и слабой турбулизации области (преобладание адвекции над диффузией).

Для оценки влияния взвешенных частиц на динамический режим озера Сасык было выполнено две серии экспериментов, в первой из которых полагалось, что термическая стратификация в водоеме отсутствует и единственным стратифицирующим фактором является взвесь, тогда как в.другой серии исследовалось совместное вляя-

ние взвешенных частиц и термических не одаородноотей, вызванных

, • • • ■

суточными колебаниями температура веда. Обнаружено, что в области однонаправленного прибрежного потока , аффекты стратификации взвеси приводят к уменьшению напряжения донного трения.тогда как в области двухслойной структуры течения наблвдается противоположная картина. Это объясняется существованием в сястемело-кальной и глобальны» обретных овяэей. Первая нэ них пцтодет к равновесному состоянию в системе благодаря уменьшению потоке врозии дне из-за увеличения страти®икацю1, создаваемой вовлеченной взвесью. Вторая определяется глобвлышм уелсшиеи сохранения . массы, т.е. при ослаблении напряжения донноготрения в любой точйс водоема происходит усиление баротропной градиентной циркуляции. Состояние равновесия в системе о нелокальной обратной связью достигается за счет уменыоения интенсивности вихревых трубок в жидкости и растяжения трубок абсолютного вихря.

Наличие суспенаионнойотратцфикации способствует усилению скорости течений до 20-40 причем, если стратификация отсутствует, в области разнонаправленного действия дрейфовой и градиентной составляющих течения происходит взаимное их ослабление за счет рейнольдоовых напряжений в жидкости.

Обнаружены временные осцилляции числа Ричардсона о периодом менее 1 часа. Причину етих колебаний можно объяснить существованием режима предельного насыщения в локальном взвесенесущем потоке. Поскольку рассматриваемые процессы нестационарны, и имеют определенную инерцию, возникают колебания относительно ссстояния равновесия.

Для оценки относительной роли суспензионной и термической стратификации в ' формировании распределения плотности рассчи-

тив&яся параметр

А р(С) ■

Йр » —- , (30)

. ^ Рм<*>

(аналог параметра Тернера), где Ар - приращение значения плотности по глубине. Расчеты показали, что под слоем скачка температуры, основную роль в распределении плотности играет суспензионная отрати<|нкация, тогда как над ним ее вклад на два порядка ниже термическое. Учитывая, что турбулентное число Шмидта для

взвеси а*1« 1, а соответствующее число Прандтля а"1« 10, относи. . в Т

тельное влияние стратификации, создаваемое.взвесью и температурой, на потоки пдавучеоти будет в десять раз больше, чем предпи-оываетоя формулой (30). Таким образом, взвесь оказывает большее воздействие на плавучеоть, нежели термические неоднородности.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые сводятся к следующему! . •

1.Разработана и реализована тр«хмерн8И нестационарная гид: ротермодинамическая модель в обобщенной системе координат, пре-: днаяначеннвя для имитации гидрофизических процессов в мелководном водоеме.

2.На осноЬе етой модели получены типовые поля течение в .северо-западной части Черн ^гс моря для различных синоптических ситуаций над акваторией моря.

3.Разработана математическая модель двухфазной ящ- ости вода-Фзвееь для мелководного водоема о учетом ветроволнового взмучивания донных отложенийи обратного влияния взвеси на тур; булентшй реаим и течения.

; 4.Ка основе етцй модели-Еиполнешг числвнные - екоперименты, амемцие цель оценить влиянйе минеральное взвеси на д.ламический ^жим в щадумайоком озере Сасык. Показано, что наличие локальной обратной связи между оуопенэней и параметрами потока приво-

-годит к ослаблению рейнольдсовых напряжений в жидкости из-за затрат турбулентной энергии на преодоление сил плавучести. В свою очередь, ето вызывает усиление скоростей течений (до 20-40$) в придонной области и уменьшение (в определенных зонах - десятикратное) потока ерозйи. Последнее обстоятельство указывает на необходимость учета эффектов стратификации от взвеси в задачах литодинамики.

5.Б системе вода-взвесь обнаружена обратная связь глобального происхождения, которая обусловлена влиянием взвеси на градиентную (баротропную) циркуляцию. Поскольку градиентная циркуляция имеет нелокальную природу, локальное уменьшение напряжения -донного трения из-за наличия взвеси приводит к усилению баро-тропной циркуляции, которая оказывает неоднозначное влияние на параметры системы. Достижение состояния равновесия в системе о нелокальной обратной овязью возможно благодаря действию горизонтальной турбулентной вязкости а изменению площадей, занятых противоположными по направлении потоками. • -•"',

- ¿.Обнаружено возникновение ооцйлляций параметров взвееене-сущего потока о характерным периодом оевзденкя взвеси. Природа / этих колебаний относительно состояния предельного насыщения объясняется существованием инерции в системе.

7.'Установлено, что термическая стратификация в мелководном водоеме оказывает меньшее воздействие на динамический режим по ог штт о суспензионной.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

'1. Лонин С.А. Моделирование течений и распространена примеси в сеьеро-попадной части Черного моря. Одесса, 1990.- <-8 .о.

- Деп. Ъ 1Щ ЫСГИ1ЛМ--ШЩ 09.07.90,'Ы 1007-Ш90..'

2. Лонин С.А., Матыгин A.C. Математическая модель циркуля--ЦШ1 вод н прогноз распределения загрязняющих веществ в прибрежных районах Черного моря //Международен симпозиум "Ек.ология' 92", Бургас,Бургаски технологически университет 24-26 септември 1992: Тез, докл.- Болгария: Бургас, 1992. С. 196-198.

3. Лонин С.Л., Тучковенко Ю.С., Матыгин А.'С. Моделирование гидрохимических процессов в северо-западной части Черного моря // Мевдународен симпозиум "Екология'92", Бургас, Бургаски технологически' университет 24-26 септември 1992: Тез. докл.- Болгария:.Бургас, 1992.-С. 217-223. • . . •

4- Лонин С.А. Математическая модель динамики прибрежных вод в обобщенной системе координат. Одесса, 1993.- 29 е.- Деп. в ВИНИТИ 08.12.93, N 3040-В93.

ГТопп.к печати 6.04.Р4г. Формат С:0x84 . Т/Т6. Об"ем Т,25п.л. 0,9уч.изл.л. Заказ.?? 361. Тирак ЮОэкз. Гортипография Слесского управления по печати,цёх}?3. Ленина 49. .