基于同步速度场与密度场的闭锁交换重力流的能量特性与混合效率

在闭锁交换装置中对一系列能量守恒重力流进行了实验室实验，雷诺数范围为 $Re= \frac{U_Fh}{\nu} =$ 485-12270。采用 PIV-PLIF 系统同步捕捉速度场与密度场。采用滑动平均方法计算平均场及一系列湍流统计量，即湍流动能（$K$）、剪切产生项（$P$）、浮力通量（$B$）和能量耗散（$\epsilon$），这些量均出现在重力流坍塌阶段。随后利用所得结果确定混合效率、$Ri_{f}$、Ozmidov 长度尺度（$L_O$）、Kolmogorov 长度尺度（$L_\kappa$）、动量涡扩散系数（$\kappa_m$）和标量涡扩散系数（$\kappa_\rho$）的定量值。本研究表征了两种不同形式的 $Ri_{f}$，记为 $Ri_{f}^I=\frac{B}{P}$ 和 $Ri_{f}^{II}=\frac{B}{B+\epsilon}$。结果覆盖了整个扩散区（3 $<Re_b<$ 10）以及中间区的一部分（10 $<Re_b<$ 50），其中 $Re_b=\frac{\epsilon}{\nu N^2}$ 为浮力雷诺数，用于衡量剪切分层流中的湍流水平。由于剪切驱动的混合层的发展，$P$、$B$ 和 $\epsilon$ 的值在环境流体与重力流界面处显著增大。基于湍流统计量与长度尺度的变化，推断湍流沿重力流长度方向衰减。混合效率在扩散区（$Re_{b}<$10）单调增大，并在中间区发现其上界为 $Ri_{f}^{I}\approx$ 0.15 和 $Ri_{f}^{II}\approx$ 0.2。利用 $Ri_{f}$ 的值，将归一化动量涡扩散系数参数化为 $\frac{\kappa_m}{\nu.Ri_{g}}$=1.2$Re_{b}$，归一化标量涡扩散系数参数化为 $\frac{\kappa_{\rho}}{\nu}$=0.2$Re_{b}$。