بخشی از مقاله
چکیده
در دریای خزر به دلیل اختلاف شدید دمای بین حوزه شمالی و جنوبی جریانی از حوزه میانی به جنوبی سرریز می شود. این جریان پس از تشکیل از حوزه میانی از روی تنگه آپشوران وارد خزر جنوبی میشود و پسازآن به دلیل وجود نیروی کوریولیس در توپوگرافی خزر جنوبی به دام میافتد و بهصورت یک جریان به دام افتاده به سمت خزر جنوبی در امتداد هم عمقها حرکت میکند.
این پژوهش سعی دارد این جریان که در دریای خزر به وقوع میپیوندد را در محیط آزمای شگاهی شبیه سازی کند. در این تحقیق در شرایط مختلف فیزیکی یعنی تحت گرانی کاهشیافته، فرکانس چرخش مختلف این آزمایش تکرار شده است. برای به دست آوردن سرعت پلوم از رابطهی وانگ ا ستفاده شده ا ست که سرعت پلوم تحت گرانی کاهشیافته 0,02 برابر با 0,061، 0,03 برابر با 0,069 و 0,04 متر بر مجذور ثانیه برابر با 0,077 متر بر ثانیه بهد ستآمده ا ست. برای چنین جریانی در محیط آزمای شگاه عدد فرودتقریباً 0,2 بهد ستآمده ا ست که ن شان میدهد اثر چینهبندی چگالی مهم است و عدد رینولدز برابر با 16400 است.
در محیط واقعی دریای خزر عدد فرود برابر با 1 و عدد رینولدز 104 -105 میباشد. در مرحله بعد به شبیهسازی فیزیکی جریان به دام افتاده پرداختهشده است که بر طبق معیار استرن پیشبینی میشد که تحت فرکانس چرخش 0,09، 0,17 و 0,25 هرتز جریان نباید از مانع جدا شود ولی در عمل این مهم تحقق پیدا نکرد. با تحلیل مقیاس آزمایشگاهی پدیده با آنچه در واقعیت به وقوع میپیوندد عواملی چون شیب زیاد - تیزی - مانع و بزرگ بودن آن از عوامل چنین نتایجی به شمار میرود. ازاینرو معیار سادهتری بر ا ساس عدد را سبی برای برر سی آن موردا ستفاده قرار گرفت.
در فرکانسهای مختلف، برر سیها ن شان داد که تحت فرکانس 0,17 هرتز دو ادی کامل ت شکیل می شود که درواقع نتایج شبیه سازی عددی را حمایت میکرد. نتایج ن شان میدهد که ن سبت انرژی جنب شی به پتان سیل در مورد ادی ت شکیل شده در این آزمایش حدود 1,5 که ن شاندهندهی بیشتر بودن انرژی جنبشی و رفتار شبیهتر آن به پیچکهای کوچکمقیاس میباشد.
-1 مقدمه
مطالعه گردشهای ترموهلاینی و جریانهای سرریز همواره بخش مهمی از پژوهشهای دانشمندان مختلف را تشکیل میدهد که گویی اقیانوس شنا سی فیزیکی با این مفاهیم ا سا سی گرهخورده ا ست. م سیر حرکت جریان، پایداری و ناپایداری جریان، جریان به دام افتاده در توپوگرافی بستر، محاسبهی ضرایب پخش تکانه شوری و دما، اثرات اصطکاک بستر و اصطکاک بین دولایه و اثرات گردشهای ترموهلاینی در حوزههای آبی ازجمله موضوعاتی هستند که دانشمندان در مورد آن تحقیقات انجام میدهند.
متئوس و همکاران - 2001 - به بررسی جریان به دام افتاده در تنگه جورجیا - تنگه ای در کانادا - پرداختند و یک حل عددی برای جریان به دام افتاده ناشی از چگالی با مدل زمینگردی که در این روش اقیانوس بهطور پیوسته بهصورت چینهبندی در نظر گرفته شده ا ست ارائه دادند که نتیجه کار آنها این بود که مدل ارائه شده در توافق با م شاهدات میدانی در تنگه جورجیا بوده است.[1]
الی ساک و همکاران - 2007 - به شبیه سازی ادی های ب سیار بزرگمقیاس در جریان سرریز دریای سرخ پرداختند. آنها در این پژوهش به مطالعهی عملکرد ب ستههای تلاطم پرداختند. آنها یافتند که ا ساس ساختار جریان سرریزکه شامل لایه ب ستر بهخوبی آمیختهشده و حبابهای لایه سطحی است بدون استفاده از هیچ تلاطمی نمیتواند بازسازی شود.[2]
در بین این پژوهشها یکی از روشهایی که دانشمندان استفاده میکنند تا به کمک آن بتوانند به بررسی چنین جریانهایی بپردازند ا ستفاده از روشهای آزمای شگاهی برای شبیه سازی چنین جریانهایی ا ست. وایتد - 1993 - مدل آزمای شگاهی برای آب سرد در فلات قاره ارائه داد که در این آزمایش آب گرم در معرض هوای سرد در محیط آزمایشگاه قرار گرفت.[3] ژاکوب و همکاران - - 1999 از مدل آزمایشگاهی برای بررسی جریان مرزی درروی سطح شیبدار استفاده کرده است.[4] اووهیوا - 2000 - به مطالعه آزمای شگاهی اختلاط در جریان گرانی در سطح شیبدار درروی میز چرخان پرداخت.[5]
سندس و وایتد - 2003 - به بررسی جریان چگال روی سطح شیبدار در مقیاس آزمایشگاهی پرداختند و یک مدل دینامیکی ارائه دادند. در این مدل تحلیلی از یک مدل دولایه برای بررسی جریان گرانی روی سطح شیبدار استفاده شده است که در این مدل اصطکاک بستر و اصطکاک بین دولایه در نظر گرفتهشده است.[6] سندس و همکاران - 2004 - به اثرات تغییرات توپوگرافی بر روی دینامیک جریان ساحلی در محیط آزمایشگاه پرداختند.[7]
پژوهشهای انجامشده در دریای خزر - بزرگترین دریاچه جهان - محدود میباشد و بیشتر این پژوهشها به مدلهای عددی مربوط میشود. غفاری و همکاران - 2009 - دادههای باد تجزیهوتحلیل شده و گردش در فلات قاره و جریان در خلیج فریدونکنار را در ناحیه جنوبی دریای خزر با ا ستفاده از تجزیهوتحلیل دادههای باد مورد برر سی قراردادند.[8] ایبرایو و همکاران - 2010 - از یک مدل سهبعدی استفاده کردهاند، بهطوریکه ورودی رودخانهها، رطوبت هوا، تابش و تنش باد در این مدل تأثیر دادهشده است.[9] گوندوز و اوزی - 2014 - به مدلسازی گردشهای سطحی و ساختار ترموهلاینی در دریای خزر پرداختند.
در این پژوهش از مدل عددی HYCOM برای مطالعه در دریای خزر ا ستفاده کردند.[10] در دریای خزر وجود جریان سرریز به دلیل وجود اختلاف چگالی بین دو حوزه جنوبی و میانی میبا شد که دلیل آن به دلیل ک شیده شدگی دریای خزر در را ستای عرض جغرافیایی ه ست. بابا گلی و همکاران - - 2017 به مطالعه چنین جریانی به کمک شبیه سازی عددی و دادههای میدانی پرداختند و توان ستند مدل تحلیلی برای برر سی چنین جریانی ارائه دهند.[11] در این پژوهش ن شان داده شد که جریان پس از عبور از تنگه آپشوران به دلیل وجود نیروی کوریولیس به دام میافتد - شکل . - 1
همانطور که در شکل 1 مشخص است جریان پس از عبور از روی تنگه آپشوران در توپوگرافی خزر جنوبی به دام میافتد و به صورت یک جریان به دام افتاده ظاهر می شود که این جریان تحت تأثیر نیروی کوریولیس و توپوگرافی ب ستر در امتداد هم عمقها سوی جنوب، به جهتی که در سواحل ایران ا ست روان می شود که به صورت یک جریان روی توپوگرافی ب ستر به دام افتاده ظاهر میشود. این جریان به دام افتاده به حرکت خود ادامه داده و به دلیل وجود دلتای سفیدرود از توپوگرافی جداشده و بهصورت دو ادی ساعتگرد و پادساعتگرد در حوالی این ناحیه ایجاد میشود - شکل 1 و. - 2
دلتای سفیدرود
شکل :2 شکل شما تیکی جریان هنگام حرکت در خزر جنوبی رنگ زرد نشانگر جریانی است که از قبل در خزر جنوبی بوده است - ادی دوم در شکل ترسیم نگردیده است ولی در شکل 1 قابل رؤیت است - . هدف از این پژوهش شبیهسازی فیزیکی مکانیسم جریان هنگام شکلگیری و پر کردن حوزه و سرریز شدن به حوزه دیگر و نحوه به دام افتادن و نیز حرکت جریان هنگام به دام افتادن است.
یکی از مهمترین هدفهای این پژوهش مربوط به مطالعه نحوه شکلگیری ادی هایی میباشد که در شکلهای 1 و 2 بهوضوح دیده می شود. همانطور که مشخص است این جریان در فصول مختلف ادی هایی که تشکیل میدهند متفاوت است - چون گرانی کاهشیافته متفاوت است - ازاینرو سعی شده است که تحت شرایط فیزیکی مختلف این آزمایش انجام شود تا بهتر بتوان در مورد نحوهی شکلگیری ادی ها اظهارنظر کرد.
-2 روش پژوهش
در این پژوهش با توجه به اینکه دریای خزر توسط تنگه آپشوران حوزه میانی و جنوبی آن جدا میشود ازاینرو مخزنی به طول 1,22 متر و عرض 0,2 متر و ارتفاع 0,3 متر در نظر گرفتهشده است. از یک مانعی - نقش تنگه را ایفا میکند - به شیب 45 درجه بهمنظور جدا شدن دو حوزه آبی استفادهشده است. در این آزمایش از مخزن دیگر استفاده شده است تا بتوان آب شور را تزریق کرد و برای ثبت آزمایش از دو دوربین با دقت0,01 در دو طرف مخزن و به طور عمود در پایین استفاده شده است. به کمک این دوربین ها سرعت و نیز عمق و پهنای جریان گرانی تخمین زده می شود.
به منظور آن که در این آزمایش اثرات تنش صرفنظر شده است و نیز به این دلیل که توپوگرافی به محیط واقعی خزر نزدیک تر شود از این رو از یک فوم با اصطکاک کم استفاده شده است - در آزمایش دوم - . ابتدا مخزن با آب معمولی پرشده است و سپس به کمک یک لوله به قطر 6 میلیمتر و بهطور قائم بهآرامی آبشور از بالا تزریقشده است تا در کف مخزن چینهبندی چگالی شود.
بهمنظور انجام این آزمایش و اعمال چرخش با فرکانس متغیر از یک میز چرخان قابل تنظیم برای اعمال نیروی کوریولیس و نیروی گریز از مرکز استفادهشده است. در این پژوهش پس از چینهبندی کردن محیط آزمایش و بهمنظور رصددددچ ه بهتر جریان در هرلحظه از محلول پرمنگنات - رنگ بنفش - ا ستفاده شده ا ست تا بتوان راحتتر جریان چگال را در هرلحظه دنبال کرد.
