Asynchronous-coupled large-eddy simulation of Langmuir turbulence and the atmospheric surface layer

朗缪尔湍流和大气表层的异步耦合大涡模拟

基本信息

  • 批准号:
    2054756
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 23.95万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-03-01 至 2025-02-28
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Coupled flows of air and water near the ocean surface ocean affect ocean sequestration of anthropogenic quantities (e.g., CO2), dispersion of biomass, and a host of other issues of scientific importance. When the direction of ocean waves and the prevailing atmospheric winds are coaligned, counter-rotating roll cells emerge within the ocean layer. These cells – known as Langmuir turbulence – manifest on the ocean surface as elongated streaks. It is common practice to assume uniform atmospheric forcing on the ocean surface, when in fact the atmosphere itself is composed of eddying gusts that induce spatial variability in wind stresses. High-fidelity computer simulations will be used to characterize how realistic spatial heterogeneity in atmospheric stress affects evolution of Langmuir turbulence. This project offers opportunities for fundamental research in multiphase, multiscale, large-scale turbulence. The results of this project will be used to promote outreach activities directed to improve diversity and inclusion in graduate-level STEM programs. The investigator will continue to organize an annual one-day fluid dynamics symposium for graduate students throughout Texas and Oklahoma.Langmuir turbulence in the ocean mixed layer is the product of imposed atmospheric surface drag and the aggregate drift due to wave orbital motion. Langmuir turbulence is a microscale phenomenon that regulates vertical (air-sea) exchanges of momentum, heat, and other quantities. Langmuir cells – counter-rotating vortices, meandering spatially about a predominant transport direction aligned with the prevailing wind direction – exhibit lengths of tens to thousands of meters. Langmuir turbulence is generally defined with the turbulent Langmuir number, which is the square root of atmospheric shear velocity divided by Stokes drift magnitude. The imposed atmospheric stress exhibits dramatic spatial and temporal variation about the aggregate value used to compute the turbulent Langmuir number. Such variability is driven by the passage of coherent parcels of momentum in the aloft atmospheric surface layer – so called large-scale motions, which themselves meander spatially and exhibit lengths up to thousands of meters. High fidelity asynchronously-coupled large-eddy simulations of the atmospheric surface layer-ocean mixed layer will be used to quantify how such large-scale atmosphere motions modulate the spatial and dynamical characteristics of deep ocean (unaffected by bottom-boundary layer) Langmuir turbulence.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
靠近海洋表面的空气和水的耦合流动影响了人为量(如二氧化碳)的海洋封存、生物量的分散以及许多其他具有科学重要性的问题。当海浪的方向与盛行的大气风向一致时,在海洋层内就会出现反向旋转的翻滚单元。这些细胞——被称为朗缪尔湍流——在海洋表面表现为细长的条纹。通常的做法是假定海洋表面的大气强迫是均匀的,而实际上大气本身是由引起风应力空间变异性的旋转阵风组成的。高保真计算机模拟将用于描述大气应力的现实空间异质性如何影响朗缪尔湍流的演变。该项目为多相、多尺度、大尺度湍流的基础研究提供了机会。该项目的成果将用于促进旨在改善研究生水平STEM项目的多样性和包容性的外展活动。研究者将继续组织为期一天的流体动力学研讨会研究生在得克萨斯州和俄克拉何马州。海洋混合层中的朗缪尔湍流是大气表面阻力和波轨道运动引起的聚集漂移共同作用的产物。朗缪尔湍流是一种微观尺度的现象,它调节着动量、热量和其他量的垂直(海气)交换。朗缪尔单元是一种反向旋转的涡旋,在空间上沿着与盛行风向一致的主要输送方向蜿蜒而行,其长度可达数十至数千米。朗缪尔湍流通常用湍流朗缪尔数来定义,它是大气剪切速度的平方根除以斯托克斯漂移幅度。施加的大气应力在计算湍流朗缪尔数时表现出显著的时空变化。这种变化是由高空大气表层中连贯的动量包裹的通过所驱动的——即所谓的大尺度运动,这些运动本身在空间上蜿蜒曲折,长度可达数千米。大气表层-海洋混合层的高保真异步耦合大涡模拟将用于量化这种大尺度大气运动如何调制深海(不受底边界层影响)朗缪尔湍流的空间和动力特征。该奖项反映了美国国家科学基金会的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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