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基于FLUENT的深海热液羽状流流动模拟

作　者: 温竹青
导　师: 夏建新；任华堂
学　校: 中央民族大学
专　业: 环境科学
关键词: 热液扩散 FLUENT 热通量
分类号: P744
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

作为深部地球与海洋之间物质与能量交换的桥梁,海底热液活动具有重要的理论和现实意义。越来越多的研究发现,海底热液喷溢形成的硫化物矿富含金、银、铜等多种金属,分布比较集中,开发技术难度小、开发效率高,自然生长速度快。在陆地矿藏资源日益枯竭的形势下,深海硫化物矿逐渐成为最具开采前景的海底矿产资源之一,然而,到目前为止,仍然没有准确定位硫化物矿的有效手段,这使深海硫化物矿的勘探开发受到很大制约。深海热液羽状流的流动模拟对解决以上问题有很大帮助。模拟试验热羽流的水动力学过程不但能够更好地理解热羽流的运动规律,还可以通过反演热羽流的运动过程,快速准确定位热液喷口,为深海热液硫化物矿的探寻提供技术支持。本文基于流体力学基本理论(动量平衡、物质平衡与扩散理论)与现有的热液活动分析模型,应用FLUENT软件模拟出了热液羽状流喷发后在海底的扩散形态,具体工作包括以下三个方面：(1)通过对已有研究资料进行分析,总结出了海底热液活动的全球分布及热液活动发生的构造环境和区域地形环境。从理论层次上掌握了底层流、海水层结、地球自转等实际因素对热液羽状流扩散可能造成的影响,并归纳了已有的热液羽状流扩散理论模型。(2)本模拟采用Speer和Rona的初始条件,模拟算出当喷发速度为0.4 m/s时,热液上升的最大高度约为400 m,而Speer和Rona通过差分法估算出的上升高度是437 m,二者之差为经验值的8.5%,在可接受的范围内。此外,模拟的热液扩散过程中温度及热液柱横截面积的变化趋势与前人的经验结果基本一致,这充分说明用FLUENT软件对热液扩散形态进行模拟是可行的。(3)为了进一步了解热液扩散的机制,本文模拟分析了五种不同热通量的热液扩散。结果表明喷发温度、热源半径、喷发初速度对热液扩散的影响主要表现在热液刚喷发时的上升速度和热量扩散速度以及热液能够上升的最大高度等方面,而对热液扩散的几何形状没有太明显的影响,随着热通量的增加,热液上升高度和稳态时热液柱的横截面积相应增大。本文将模拟分析结果与前人所做相关研究进行比较验证后,建立了一套可行的、能够广泛应用的深海热液羽状流流动模型,为进一步研究热羽流的物理机制等问题提供了依据,并为通过反演热液羽状流的扩散过程快速寻找热液喷口、准确定位深海硫化物矿提供了技术支持。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-7
第1章绪论  7-12
  1.1 热液羽状流研究背景及意义  7-9
  1.2 FLUENT软件应用简介  9-10
  1.3 主要研究内容与技术路线  10-12
第2章深海热液活动国内外研究成果  12-23
  2.1 深海热液活动点的分布  13-14
  2.2 深海热液活动区环境特征分析  14-16
    2.2.1 现代海底热液活动发育的构造环境特征分析  14-15
    2.2.2 现代海底热液活动区地形环境特征分析  15-16
  2.3 热液羽状流特性研究及探测  16-21
  2.4 热液羽状流主要产物研究  21-22
  2.5 小结  22-23
第3章热液羽状流模型研究  23-38
  3.1 热液喷溢过程模拟研究应考虑的边界和初始条件  23-26
  3.2 热液喷溢的理论过程和热液柱的一般形态  26-27
  3.3 热液喷溢的动力过程模拟  27-28
  3.4 深海热液活动环境场参数及模型分析  28-36
  3.5 小结  36-38
第4章深海热液羽状流模拟  38-57
  4.1 控制方程  38-39
  4.2 计算条件  39-41
  4.3 模拟结果分析  41-48
    4.3.1 热液喷发后扩散形态模拟结果  41-46
    4.3.2 热液扩散模拟结果验证  46-48
  4.4 不同热通量下热液扩散形态的比较  48-56
  4.5 小结  56-57
第5章结论  57-59
  5.1 主要结论  57-58
  5.2 论文创新之处  58
  5.3 不足之处及发展方向  58-59
参考文献  59-66
攻读学位期间发表的学术论文目录  66-67
致谢  67-68

基于FLUENT的深海热液羽状流流动模拟

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