2
Введение .......... 5
Глава 1. Придонные гравитационные течения в океане: физико-географический портрет явления ...... 18
1.1. Натурные примеры придонных !равитационных течений 20
1.2. Вертикальная структура средних полей придонных гравитационных течений ......... 27
1.3. Турбулентная структура придонных гравитационных течений 28
1.4. Теоретические модели придонных течений ... 47
1.5. Выводы ......... 52
Глава 2. Основные уравнения и постановка задачи исследования динамики придонных гравитационных течений в океане ... 54
2.1. Исходные уравнения. Теоремы Бъеркнесса ... 54
2.2. Уравнения движения стратифицированной жидкости для случая придонных гравитационных (интрузионных) течений. Подход Рейнольдса .......... 67
2.3. Декомпозиция исходной задачи распространения стратифицированных течений на XZ и ХУ задачи ..... 72
2.4. Выводы ......... 92
Глава 3. Исследование процесса распространения стратифицированного течения в вертикальной плоскости ( ХЪ - задача) 93
3.1. Натурные примеры фронтатьных зон подповерхностных, придонных гравитационных или интрузионных течений ... 94
3.2. Численная модель распространения фронтальной части придонного гравитационного течения . 101
3.3. О схемной вязкости и диффузии конечно-разностных уравнений численной модели придонного течения . . . . . 106
3
3.4. Модельное пространство. Начальные и граничные условия задачи ............................................................ 109
3.5. Распространение фронта придонного течения по ровному дну 118
3.6. Задача распространения придонного гравитационного течения по склону дна ......... 138
3.7. Роль штормового перемешивания в формировании возвратных взвесенесущих течений ........ 164
3.8. Выводы ......... 174
Глава 4. Численный аналог гидролотка Торпа . 175
4.1. Виртуальный лоток Торпа ...... 175
4.2. Результаты численных экспериментов . * 2? • ^
•Я*' •
4.4.0 роли давления . . . . 188
4.3. Выводы ......... 192
Глава 5. Численное моделирование распространения интрузионных те- 193 чений в горизонтальной плоскости (XY - задача)
5.1. Натурные примеры интрузионных течений, распространяющихся
в горизонтальной плоскости ...... 194
5.2. Динамика тонкого слоя жидкости на наклонном дне в приближении погранслоя Экмана. 11одход Жмура-Назаренко . . 198
5.3. Численная модель XY-задачи ..... 207
5.4. Результаты расчетов в XY-плоскости . . . 213
5.5. Распространение интрузионных течений переменной интенсивности ........... 222
5.6. Выводы ......... 230
27
1.2. Вертикальная структура средних полей придонных гравитационных течений
Одним из первых лабораторные исследования мутьевых потоков провел П.Кюнен (Киепеп, 1937,1950), который рассмотрел средние характеристики потоков очень большой плотности. Наиболее интересная для настоящей работы серия опытов была проведена в канале длиной 30 м, квадратного сечения 60 х 60 см при уклоне дна на протяжении 2 м 1:10 (дальше шло горизонтальное дно). Исследуемая суспензия состояла из воды, глины и песка, и при очень высокой плотности скользила по склону и быстро приходила в состояние покоя. Даже относительно слабое разжижение такой суспензии водой приводило к сочетанию высоко турбулентного (оценка дана по визуальным наблюдениям) мутьевого потока с тонким слоем большой концентрации у дна, растекающегося непосредственно по дну. Дальнейшее разбавление исходной суспензии водой приводило к образованию турбулентного мутьевого потока уже без донного слоя. Автор справедливо считает, что турбулентный характер движения потока должен препятствовать выпадению взвеси. Полученные П. Кюненом скорости распространения фронта мутьевого потока достаточно велики (до 60 см/с), вместе с тем, невысокое качество регистрации позволяет делать некоторые качественные выводы о характере движения придонного потока.
В работе Ю.Г. Пыркина и Б.И. Самолюбива (1980) описан процесс эволюции вертикальной структуры придонного мутьевого течения в Нурекском водохранилище - глубоком водоеме каньонного типа с уклоном дна до 0.01. При малом уклоне дна все профили средней горизонтальной скорости выпуклы и имеют зоны сильных градиентов у границ течения. В окрестности сильных уклонов дна (створы VII - VII первого режима и I - II - второго см. (Пыркин, Самолюбов, 1980), рис. 1 и 2) происходит расслоение течения с образованием сложной вертикальной структуры распределения горизонтальной скорости. Кроме того, необходимо отметить подобие вертикальных профилей средней
Z2
скорости течения при малом и почти постоянном уклоне дна на значительном расстоянии (3 и 4 км). Всего же поток проходит по дну расстояние порядка 20 км. Наличие почти постоянной формы вертикального профиля скорости говорит о реально существующем квазистационарном режиме придонного течения, определяемом при постоянстве внешних условий только самой его структурой. Аналогичное явление образования квазистационарного режима течения зафиксировано и в работах (Пыркин, Самолюбов. Галкин, Силаев, 1983; Самолюбов, Слуев, 1996; Самолюбов, Слуев, Кременецкий, Толкачева, 1997).
Другие примеры изучения структуры средних полей придонных гравитационных полей (French, 1978; Simpson, 1982,1986,1987; Saunders, 1983; Thorpe, 1983) приводят к аналогичным результатам и выводам.
Таким образом, можно сделать следующий общий вывод: вертикальные распределения средних полей придонных гравитационных течений отличаются локализацией своих характеристик в пределах плотностного потока - максимум скорости расположен всегда в толще потока, максимум градиента плотности совпадает с верхней границей потока. При небольших и слабо меняющихся уклонах дна наблюдается подобие распределений средних скорости и плотности, свидетельствующее о квазистационарном режиме течения. Следует отметин», что все эти процессы были бы невозможны без экранирующего по отношению к придонному течению гашения перемешивания через его верхнюю границу.
1.3. Турбулентная структура придонных гравитационных течений
Все перечисленные выше результаты относились к наблюдениям осред-ненных величин скорости и плотности. Вместе с тем, имеющиеся прямые инструментальные наблюдения и множество косвенных фактов (крутизна профиля скорости в области сильных градиентов, способность придонного потока к взвешиванию частиц, визуальные наблюдения) свидетельствуют о необходимо
- Київ+380960830922