Особое внимание при численном моделирование гидрологических процессов на шельфе как области суперпозиции пограничных слоев следует уделить параметризации процессов турбулентного обмена, поскольку именно здесь эти параметры могут изменяться в широких пределах. Общий анализ поставленной задачи показал ограниченность возможности определения коэффициентов турбулентного обмена, т.к. наиболее известные полуэмпирические методы определения характеристик турбулентности (методы Прандтля, Кармана) предполагают способ расчета коэффициента турбулентности пропорционально вертикальному сдвигу скоростей, не учитывая при этом эффектов, обусловленных влиянием стратификации. Вместе с тем, поскольку поле течений в шельфовых районах обладает существенной вертикальной изменчивостью, с хорошо выраженными зонами разнонаправленных потоков, применение подобных методик определения этого параметра в большинстве случаев невозможно. Кроме этого, подобные методики не учитывают влияние стратификации среды на характеристики турбулентного обмена, что особенно важно в прибрежных участках с заметным влиянием пресноводного стока. Исходя из этого, за основу была принята нестационарная система уравнений баланса энергии турбулентности, которая устраняет указанные недостатки, связанные с учетом стратификации и позволяет получить интересующие нас турбулентные характеристики среды фактически при любом вертикальном распределении скоростей течений.

(4.3.1)

(4.3.2)

где b - энергия турбулентности; ε - скорость диссипации турбулентной энергии; с1=0.44, с2=1.92, с3=0.8, δ = 1.3- эмпирические константы.

В качестве граничных условий на свободной поверхности для уравнений баланса энергии турбулентности задается поток энергии турбулентных пульсаций (Pb), параметризуемый через касательное напряжение ветра (τ), и отсутствие потока для скорости диссипации:

, (4.3.3)

, (4.3.4)

, (4.3.5)

где a0 =1 и ab =0.001 - эмпирические константы;

ρa - плотность атмосферного воздуха

В некоторых работах, посвященных данному вопросу на поверхности поток энергии отсутствует, что оправданно в случае определения характеристик турбулентности в глубоководных акваториях, где основным механизмом генерации является сдвиг скоростей течений. В нашем же случае, когда глубины могут составлять менее 20 м использование подобного допущения малооправдано.

В качестве граничных условий на дне (z=H) принимается отсутствие потоков энергии турбулентности и скорости ее диссипации.

(4.3.6)

(4.3.7)

Выбор нестационарных уравнений баланса энергии турбулентности является важным, поскольку при исследовании синоптической циркуляции характеристики турбулентности нельзя считать стационарными. Несмотря на существующее мнение о существенно меньшем времени установления характеристик турбулентности по сравнению с основными гидрологическими элементами (температурой, соленостью, скоростью течений), проведенные численные эксперименты с уравнениями баланса энергии показали, что время установления энергии турбулентных пульсаций при стационарном профиле скорости составляет несколько суток, что не позволяет пренебречь временной изменчивостью этих характеристик, в особенности при задании несогласованных профилей гидрологических элементов в качестве начальных условий. Известно, что соотношение между характерным масштабом времени установления характеристик турбулентности, скорости течений и температуры составляет величины порядка 1 ч : 1 сут. : неск. сут. (0.02:0.1:1.0).

Еще статьи по теме

Экологическое состояние территорий Восточного Казахстана
Проблема взаимодействия человека с природой - проблема вечная и одновременно современная. Ведь человечество связано с природным окружением своим происхождением, существованием и будущим. Человек-элемент природы, часть сложной системы “при ...

Решение экологических проблем города Новокузнецка
Системный анализ - это совокупность определенных научных методов и практических приемов решения разнообразных проблем, возникающих во всех сферах целенаправленной деятельности общества, на основе системного подхода и представления объекта ...