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
###
Belotserkovskiy O.M., Oparin A.M., Chechetkin V.M. Turbulentnost’. Novyye podkhody [Turbulence. New approaches]. Moscow, Nauka, 2003. 286 p.
Alekseenko Е., Roux B., Sukhinov А., Kotarba R., Fougere D. Coastal hydrodynamics in a windy lagoon. Comput. Fluids, 2013, vol. 77, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 314-326. https://doi.org/10.1017/CBO9780511702242.016
Sukhinov A.I., Protsenko S.V. 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. Pp. 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, pp. 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.
