Numerical Simulation of Turbulent Mixing in a Shallow Lake for Periods of Under-Ice Convection

A. A. Smirnovsky; Смирновский А. А.; S. I. Smirnov; Смирнов С. И.; S. P. Bogdanov; Богданов С. Р.; N. I. Pal’shin; Пальшин Н. И.; R. E. Zdorovennov; Здоровеннов Р. Э.; G. E. Zdorovennova; Здоровеннова Г. Э.

doi:10.31857/S0321059623600047

Численное моделирование турбулентного перемешивания в мелководном озере для периодов подледной конвекции

Авторы: Смирновский А.А.¹^,2, Смирнов С.И.¹, Богданов С.Р.¹, Пальшин Н.И.¹, Здоровеннов Р.Э.¹, Здоровеннова Г.Э.¹
Учреждения:
1. Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН
2. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Выпуск: Том 50, № 5 (2023)
Страницы: 622-632
Раздел: ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СУШИ С АТМОСФЕРОЙ И ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА
URL: https://journals.rcsi.science/0321-0596/article/view/140803
DOI: https://doi.org/10.31857/S0321059623600047
EDN: https://elibrary.ru/QVUMIO
ID: 140803

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Представлены результаты численного расчета методом Implicit Large Eddy Simulation подледной радиационно-генерированной конвекции, развивающейся в покрытых льдом водоемах умеренной зоны в конце периода ледостава. Важность изучения радиационно-генерированной конвекции обусловлена ролью, которую играет этот феномен в температурном режиме озер и функционировании озерных экосистем в конце периода ледостава. Моделирование проведено с использованием конечно-объемного программного кода SINF/Flag-S, разработанного в СПбПУ. В расчетах использовался алгоритм SIMPLEC со вторым порядком точности по времени. Дискретизация конвективных слагаемых выполнена с использованием схемы QUICK. В результате расчетов изучено изменение температуры и пульсационных компонент скорости с периодически изменяющейся интенсивностью внешней накачки энергии в течение суточного цикла. Проведены оценки диссипации кинетической энергии, базовой потенциальной энергии, потока плавучести, а также рассчитано изменение этих величин в течение суточного цикла радиационного воздействия. Оценена эффективность перемешивания столба воды при развитии радиационно-генерированной конвекции в расчетной области, имитирующей малое озеро, покрытое льдом.

Ключевые слова

Implicit LES, радиационно-генерированная конвекция, температура воды, турбулентные пульсации скорости, базовая потенциальная энергия, поток плавучести, диссипация энергии, эффективность перемешивания.

Список литературы

Мортиков Е.В., Глазунов А.В., Дебольский А.В., Лыкосов В.Н., Зилитинкевич С.С. О моделировании скорости диссипации кинетической энергии турбулентности // ДАН. 2019. Т. 489. № 4. С. 414–418.
Bai Q., Li R., Li Z., Lepparanta M., Arvola L., Li M. Time-series analyses of water temperature and dissolved oxygen concentration in Lake Valkea-Kotinen (Finland) during ice season // Ecol. Inform. 2016. V. 36. P. 181–189.
Bengtsson L., Malm J., Terzhevik A., Petrov M., Boyarinov P., Glinsky A., Palshin N. Field investigation of winter thermo- and hydrodynamics in a small Karelian lake // Limnol. Oceanogr. 1996. V. 41. P. 1502–1513.
Bogdanov S., Zdorovennova G., Volkov S., Zdorovennov R., Palshin N., Efremova T., Terzhevik A., Bouffard D. Structure and dynamics of convective mixing in Lake Onego under ice-covered conditions // Inland Waters. 2019. V. 9. P. 177–192.
Bouffard D., Zdorovennov R., Zdorovennova G., Pasche N., Wüest A., Terzhevik A. Icecovered Lake Onega: Effects of radiation on convection and internal waves // Hydrobiologia. 2016. V. 780. P. 21–36.
Bouffard D., Zdorovennova G., Bogdanov S., Efremova T., Lavanchy S., Palshin N., Terzhevik A., Råman Vinnå L., Volkov S., Wüest A., Zdorovennov R., Ulloa H.N. Under-ice convection dynamics in a boreal lake // Inland Waters. 2019. V. 9. P. 142–161.
Bouffard D., Wüest A. Convection in lakes // Annu. Rev. Fluid Mech. 2019. V. 51. P. 189–215.
Davies Wykes M.S., Hughes G.O., Dalziel S.B. On the meaning of mixing efficiency for buoyancy-driven mixing in stratified turbulent flows // J. Fluid Mech. 2015. V. 781. P. 261–275.
Farmer D.M. Penetrative convection in the absence of mean shear // Q. J. R. Meteorol. Soc. 1975. V. 101. P. 869–891.
Gregg M.C., D’Asaro E.A., Riley J.J., Kunze E. Mixing Efficiency in the Ocean // Annual Rev. Marine Sci. 2018. V. 10. P. 443–473.
Hughes G.O., Gayen B., Griffiths R.W. Available potential energy in Rayleigh–Bénard convection // J. Fluid Mech. 2013. V. 729. P. R3.
Jabbari A., Rouhi A., Boegman L. Evaluation of the structure function method to compute turbulent dissipation within boundary layers using numerical simulations // JGR Oceans. 2016. V. 121. P. 5888–5897.
Jonas T., Terzhevik A.Y., Mironov D.V., Wüest A. Radiatively driven convection in an ice-covered lake investigated by using temperature microstructure technique // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. P. 3183.
Kirillin G., Leppäranta M., Terzhevik A., Granin N., Bernhardt J., Engelhardt C., Efremova T., Golosov S., Palshin N., Sherstyankin P., Zdorovennova G., Zdorovennov R. Physics of seasonally ice-covered lakes: A review // Aquat. Sci. 2012. V. 74. P. 659–682.
Kirillin G., Aslamov I., Leppäranta M., Lindgren E. Turbulent mixing and heat fluxes under lake ice: The role of seiche oscillations // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2018. V. 22. P. 6493–6504.
Kirillin G., Aslamov I., Kozlov V., Zdorovennov R., Granin N. Turbulence in the stratified boundary layer under ice: Observations from Lake Baikal and a new similarity model // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2020. V. 24. P. 1691–1708.
Kirillin G., Terzhevik A. Thermal instability in freshwater lakes under ice: Effect of salt gradients or solar radiation? // Cold Reg. Sci. Technol. 2011. V. 65. P. 184–190.
Kelley D. Convection in ice-covered lakes: Effects on algal suspension // J. Plankton Res. 1997. V. 19. P. 1859–1880.
Mironov D.V., Danilov S.D., Olbers D.J. Large-eddy simulation of radiatively-driven convection in ice covered lakes // Proc. Sixth Workshop Phys. Processes Natural Waters / Ed. X. Casamitjana. Girona, Spain: Univ. Girona, 2001. P. 71–75.
Mironov D., Terzhevik A., Kirillin G., Jonas T., Malm J., Farmer D. Radiatively driven convection in ice-covered lakes: Observations, scaling, and a mixed layer model // J. Geophys. Res. 2002. V. 107. P. 7-1–7-16.
Palshin N., Zdorovennova G., Zdorovennov R., Efremova T., Gavrilenko G., Terzhevik A. Effect of Under-Ice Light Intensity and Convective Mixing on Chlorophyll a Distribution in a Small Mesotrophic Lake // Water Resour. 2019. V. 46. P. 384–394.
Peltier W.R., Caulfield C.P. Mixing efficiency in stratified shear flows // Annu. Rev. Fluid Mech. 2003. V. 35. P. 135–167.
Salehipour H., Peltier W.R. Diapycnal diffusivity, turbulent Prandtl number and mixing efficiency in Boussinesq stratified turbulence // J. Fluid Mech. 2015. V. 775. P. 464–500.
Salmi P., Salonen K. Regular build-up of the spring phytoplankton maximum before ice-break in a boreal lake // Limnol. Oceanogr. 2016. V. 61. P. 240–253.
Salonen K., Pulkkanen M., Salmi P., Griffiths R. Interannual variability of circulation under spring ice in a boreal lake // Limnol. Oceanogr. 2014. V. 59. P. 2121–2132.
Smirnov S., Smirnovsky A., Bogdanov S. The Emergence and Identification of Large-Scale Coherent Structures in Free Convective Flows of the Rayleigh-Bénard Type // Fluids. 2021. V. 6. P. 431.
Smirnov S., Smirnovsky A., Zdorovennova G., Zdorovennov R., Palshin N., Novikova I., Terzhevik A., Bogdanov S. Water Temperature Evolution Driven by Solar Radiation in an Ice-Covered Lake: A Numerical Study and Observational Data // Water. 2022. V. 14. P. 4078.
Stepanenko V., Mammarella I., Ojala A., Miettinen H., Lykosov V., Vesala T. LAKE 2.0: a model for temperature, methane, carbon dioxide and oxygen dynamics in lakes // Geosci. Model Development. 2016. V. 9. P. 1977–2006.
Ulloa H.N., Wüest A., Bouffard D. Mechanical energy budget and mixing efficiency for a radiatively heated ice-covered waterbody // J. Fluid Mech. 2018. V. 852. P. R1.
Volkov S., Bogdanov S., Zdorovennov R., Zdorovennova G., Terzhevik A., Palshin N., Bouffard D., Kirillin G. Fine scale structure of convective mixed layer in ice-covered lake // Environ. Fluid Mech. 2019. V. 19. P. 751–764.
Winters K.B., Lombard P.N., Riley J.J., D’Asaro E.A. Available potential energy and mixing in density-stratified fluids // J. Fluid Mech. 1995. V. 289. P. 115–228.