Численное моделирование трехмерных турбулентных течений на основе математической модели волновых процессов
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.2.13Ключевые слова:
гидродинамика, турбулентность, моделирование крупных вихрей, подсеточные модели, коробочный фильтр, фильтр Гаусса, фильтр ФурьеАннотация
Турбулентность и последующее перемешивание являются важными механизмами, определяющими динамику процессов в прибрежной зоне, перенос импульса, массы и тепла. В статье описана пространственно-неоднородная трехмерная модель волновой гидродинамики с усовершенствованной параметризацией коэффициента вертикального турбулентного обмена. Мелкомасштабное движение исключается из уравнений Навье–Стокса путем фильтрации и последующего осреднения отфильтрованных данных. Для этого в двумерном и трехмерном случаях применяются различные фильтры: коробочный, фильтр Гаусса, фильтр Фурье, с постепенным уменьшением ширины фильтра, что позволяет воспроизводить больший частотный диапазон флуктуаций решения. Процедуре фильтрации и осреднения подвергаются натурные данные, установленные в ходе экспедиции в Центрально-Восточной части Азовского моря и в Таганрогском заливе на научно-исследовательском судне «Денеб» Южного научного центра РАН. Для измерения трехмерного вектора скорости движения водной среды применялся гидрофизический ADCP-зонд Workhorse Sentinel 600, с помощью которого произведено свыше 3 000 000 исходных измерений в более чем 150 000 точек (в каждой точке на каждой из 17 наблюдательных станций). Полученную информацию планируется использовать для численного моделирования трехмерных турбулентных течений на основе пространственно-неоднородной трехмерной модели волновой гидродинамики с применением подхода LES и сопоставления с результатами осреднения по RANS. Рассмотрены возможности различных типов аппроксимаций для параметризации вертикального турбулентного обмена. Проведено сравнение алгебраических моделей и полуэмпирических моделей турбулентности для расчета коэффициента вертикального турбулентного обмена.
Скачивания
Библиографические ссылки
Белоцерковский О.М., Опарин А.М., Чечеткин В.М. Турбулентность. Новые подходы. М.: Наука, 2003. 286 с.
Alekseenko Е., Roux B., Sukhinov А., Kotarba R., Fougere D. Coastal hydrodynamics in a windy lagoon // Comput. Fluids. 2013. Vol. 77. P. 24-35. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2013.02.003
Alekseenko Е., Roux B., Sukhinov А., Kotarba R., Fougere D. Nonlinear hydrodynamics in a Mediterranean lagoon // Nonlin. Processes Geophys. 2013. Vol. 20. P. 189-198. https://doi.org/10.5194/npg-20-189-2013
Chamecki M., Chor T., Yang D., Meneveau C. Material transport in the ocean mixed layer: Recent developments enabled by large eddy simulations // Rev. Geophys. 2019. Vol. 57. P. 1338-1371. https://doi.org/10.1029/2019RG000655
DiBenedetto M.H., Ouellette N.T., Koseff J.R. Transport of anisotropic particles under waves // J. Fluid Mech. 2018. Vol. 837. P. 320-340. https://doi.org/10.1017/jfm.2017.853
Karlsson T.M., Kärrman A., Rotander A., Hassellöv M. Comparison between manta trawl and in situ pump filtration methods, and guidance for visual identification of microplastics in surface waters // Environ. Sci. Pollut. Res. 2020. Vol. 27. P. 5559-5571. https://doi.org/10.1007/s11356-019-07274-5
Onink V., Wichmann D., Delandmeter P., van Sebille E. The role of Ekman currents, geostrophy and Stokes drift in the accumulation of floating microplastic // JGR Oceans. 2019. Vol. 124. P. 1474-1490. https://doi.org/10.1029/2018JC014547
Poulain M., Mercier M.J., Brach L., Martignac M., Routaboul C., Perez E., Desjean M.C., ter Halle A. Small microplastics as a main contributor to plastic mass balance in the North Atlantic subtropical gyre // Environ. Sci. Technol. 2019. Vol. 53. P. 1157 1164. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b05458
Prata J.C., da Costa J.P., Duarte A.C., Rocha-Santos T. Methods for sampling and detection of microplastics in water and sediment: A critical review // TrAC. 2019. Vol. 110. P. 150-159. https://doi.org/10.1016/j.trac.2018.10.029
Protsenko S., Sukhinova T. Mathematical modeling of wave processes and transport of bottom materials in coastal water areas taking into account coastal structures // MATEC Web Conf. 2017. Vol. 132. 04002. https://doi.org/10.1051/matecconf/201713204002
Smit P.B., Janssen T.T., Herbers T.H.C. Nonlinear wave kinematics near the ocean surface // J. Phys. Oceanogr. 2017. Vol. 47. P. 1657-1673. https://doi.org/10.1175/JPO-D-16-0281.1
Stokes G.G. Supplement to a paper on the theory of oscillatory waves. Math. Phys. Papers. 2009. Vol. 1. P. 314-326. https://doi.org/10.1017/CBO9780511702242.016
Sukhinov A.I., Protsenko S.V. Long waves simulation in coastal systems using parallel computational technologies // Proc. of the Young scientist's third international workshop on trends in information processing. YSIP-3 Workshop, Stavropol, Russian Federation, September 17-20, 2019. 10 p. http://ceur-ws.org/Vol-2500/paper_1.pdf
Sukhinov А.I., Sukhinov A.A. Reconstruction of 2001 Ecological Disaster in the Azov Sea on the basis of precise hydrophysics models // Parallel computational fluid dynamics. Multidisciplinary applications / Ed. G. Winter, A. Ecer, P. Fox, J. Periaux, N. Satofuka. Elsevier Science, 2005. P. 231-238. https://doi.org/10.1016/B978-044452024-1/50030-0
Zippel S.F., Thomson J., Farquharson G. Turbulence from breaking surface waves at a river mouth // J. Phys. Oceanogr. 2018. Vol. 48. P. 435-453. https://doi.org/10.1175/JPO-D-17-0122.1
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2023 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.