geodynamics_06_8_流体力学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 流体力学在地球动力学中的应用,基本知识,基本方程,边界条件,层流和湍流,简单的一维问题,二维问题及应用,流函数,冰期后回弹,底辟,俯冲带,Stokes,流,地幔对流,流体力学基本方程,Basic Equations,守恒方程,Conservation Equations,质量守恒,Conservation of Mass,连续性方程,-Equation of Continuity,动量守恒,Conservation of Momentum,运动方程,-Equation of Motion,能量守恒,Conservation of Energy,几何方程,本构关系,状态方程,流体力学,一、,Basic Equations,流体力学基本原理,1,、守恒方程,（,1,）质量守恒 连续性方程,Equation of Continuity,u,x,u,x,+-,dx,u,x,x,由于,所以,但不可压缩流体：,Eulerian,和,Lagrangian,坐标,Eulerian,Coordinates,Coordinates used in fluid dynamics which are fixed in space.,Lagrangian,Coordinates,Eulerian,Coordinates,Coordinates used in fluid dynamics in which the coordinates are fixed to a given parcel of fluid,but move in space.,固定于空间,附着于质点,P=Fu,F=ma,F,包括,面力和体力,（,2,）动量守恒,Conservation of Momentum,运动方程,Equation of Motion,（,3,）,Conservation of Energy,能量守恒,Equation of Heat Transfer,热传递方程,能量,Energy=K+G+E,动能,Kinetic Energy K=,v,u,i,u,i,/2,dv,位能,Gravitational Energy G=,v,dv,内能,Internal Energy E=,v,dv,能量变化,energy=Q+W,热 功,基本方程,质量守恒,不可压缩流体,连续性方程,动量守恒,运动方程,平衡方程,能量守恒,热传递方程,层流和湍流,Laminar and Turbulent Flow,雷诺数,Reynold,Number,对此问题,Critical Value,2200,其中,Newtonian Fluid,牛顿流体,Navier-Stokes Equation,Constitute Equation,本构方程,粘性流体,Navier,Stokes Equation,Equation of motion for incompressible viscous fluid,不可压缩流体的运动方程 将本构方程代入运动方程而得到：,或,加速度为,0,时,二维情况,牛顿流体 本构关系,其中,u,、,v,为,x,、,y,方向速度 重力沿,y,方向时,Navier,-Stokes,方程,一维问题,X u,0,Y,上边界运动带动流动和压力差推动流动,二者联合作用,软流层中的回流,流函数,流函数的等值线流线,Stream Line,切线方向质点流动方向,流线密度流速大小,=-1,0,1,Corner Flow,角落流,冰期后回弹,Uplift Formed by Removal of Ice Sheet,Fig.21.16a,Fig.21.17,Raised Beaches Due to,Isostatic,Uplift,方程,通解,边界条件,水平速率 垂直压强,得到,w,在,y=0,时的表达式,冰期后回弹的松弛时间,发现地表,w,遵从的方程,如何实测回弹量及其随时间的变化？,测量值可以直接使用吗？,底辟,Diapirism,主导波长,作业：,Channel Flow,上面板速度,U,0,、,下面板速度为,0,右面和左面存在压力差,P,二者联合作用,用两种方法（直接解,Navier,Stokes,方程和流函数）求解,Stokes Flow,压力拖曳力,D,p,=,0,p,cos,2,a,2,sin d,=2,aU,粘滞拖曳力,D,v,=,0,r,sin,2,a,2,sin d,=4,aU,全部拖曳力,D,D,p,+,D,v,层流和湍流,实际应用,俯冲陆壳块体大小,捕虏体大小和岩浆上升速度,Stokes,流,绿色、蓝色 和红色圆点分别为日本、美国和中国发现的陨石,格罗夫山的地质地理概况,格罗夫山地区位于东南极伊丽莎白公主地，是由,64,座岛峰和相间的蓝冰区所构成的岛峰群。格罗夫山北距中山站约,500,公里，经纬度为：,7220,7310S,，,7350,7540E,，面积约,3200,平方公里，其中蓝冰区面积约,560,平方公里。该地区背靠南极的最高冰穹隆,Dome A,，面向普里兹湾，海拔从东南角的,2500,米左右台阶式下降至西北角的,1500,米，落差达,1000,米。,Dome A,的东侧冰流在该区受到格罗夫山地区的山脉阻挡，分成三股支流，其中两支从东西两侧绕过格罗夫山地区流进兰伯特裂谷，另外一支冰流从格罗夫山的岛峰间成“之”字形穿流而过。由于受到山脉的层层阻挡，这第三支冰流的流速严重减缓，局部地区甚至停滞不前。流进的冰多于流出的冰，这样就造成了冰面的抬升，当受到强烈的下降风的作用，积雪难以存留，而且前方进来的冰流也在抬升过程中被蒸发或消融，因此，在格罗夫山的腹地形成了大面积的裸冰区或者蓝冰区。因此，陨石也在该地区产生富集。,,Maud Land,地区,),和横断山脉两大区域。横断山脉的几个陨石富集区是：,Mckay,/David,冰川地区（,Allan Hills,蓝冰区、,Reckling,Moraine/Elephant Moraine,蓝冰区）、,Frontier Mountain,地区、,Beardmore,Glacier/Law Glacier,地区、,Thiel,Mountains/,Pecora,Escarpment/,Patuxent,Range,地区。,Queen Maud Land,地区有两个陨石富集区：,S?r,Rondane,Mountains,和,Yamato Mountains,。我国新发现的陨石富集区格罗夫山地区（,Grove Mountains,），位于东南极普里兹湾兰伯特冰川伊利莎白公主地。详细的陨石富集区分布可见,:,,meteoriticalsociety.org/simple_template.cfm?code,=,pub_bulletinareas,陨石之所以在南极富集，是因为：,1),南极极其寒冷和干燥的特殊气候条件，为陨石长期保存提供了极为有利条件，南极陨石的居地年龄可达几十万年，甚至,2.3Ma,；,2),南极的冰盖历史长（据估计可达,10Ma,），厚度大,(,平均厚度约,2300,米,),以及辽阔的面积（,1400,万平方公里），提供了巨大的陨石来源；,3),存在有效的陨石富集机制。据估计陨石在地球表面的降落概率约,40-60,个,/10,6,km,2,y,，如果南极冰盖中的陨石没有被富集到很小的区域，人类在南极发现陨石的概率非常低，不可能有大量陨石的发现。随着降雪的积累，南极冰盖的冰层也从中心地区放射状以冰流的形式向四周流动，其中大部分的冰流直接流向海洋，其中的陨石也随之沉入海底，而部分地区因受到潜伏地形障碍（如横断山脉），冰流受阻，蓝冰在下降风的作用下快速消融，从而使陨石搁浅产生富集。另外，在南极回收陨石的另一有利条件是具有黑色熔壳的陨石在蓝冰上非常易于识别。,格罗夫山考察队队长琚宜太表示，在世界各地，陨石出现的可能性大致相同，不过坠落到南极的陨石更容易保存下来，并且较容易被发现和收集。琚宜太说，坠落到南极冰盖上的陨石常会深深钻入冰内。南极寒冷洁净的自然条件使当地就像一个天然冰库。“冰库”中的这些陨石不易风化，从而得以良好保存。因此，南极陨石的地球年龄（即陨石坠落到地球表面后被保存的时间）最长，一般可达几十万年，比其他大陆陨石的地球年龄高出上百倍。现已发现的某些极地陨石的地球年龄甚至长达万年。当含有陨石的冰川遇到内陆山脉时，冰体因受到拦阻不断上升，表层冰雪不断消融，深藏冰中的陨石距离冰面越来越近，最终暴露在冰雪表面，并逐步积聚在阻挡冰川的山脉处。再加上格罗夫山地区有几十个山峰刺破冰盖，因此这里成为陨石的富集区。除了易于保存外，黑褐色的陨石在南极的淡蓝色冰面上非常显眼，易于被发现和收集。而其他大陆上的陨石与岩石较容易混淆，发现它们的难度非常大。琚宜太说，南极冰盖中的陨石，大部分将随冰川移动，最终汇入茫茫大海，被人类发现的只是其中极少的一部分。,由我国第十九次南极科考队,5,名科学家组成的陨石猎人队，已经在南极格罗夫山的碎石带发现了,310,多块陨石，在寻找陨石的过程中，科学家找到了搜集南极陨石的新模式。,由我国第十九次南极科考队,5,名科学家组成的陨石猎人队，已经在南极格罗夫山的碎石带发现了,310,多块陨石，在寻找陨石的过程中，科学家找到了搜集南极陨石的新模式。此前，科学家们普遍认为，在蓝冰上收集陨石是南极唯一的陨石收集模式。蓝冰是由大量冰雪经过长年累月的积压而形成的，它因反射天空的颜色而呈蓝色。落在南极的陨石就被保存在这样的冰雪环境里。这次我国科考队员在格罗夫山发现的碎石带，分布在一个被称作阵风悬崖的地方，在这个漏斗状的地区下有隐伏的山系。蓝冰通过这里的时候，受到地形阻隔，向上不断翻出岩石，形成了碎石带，蓝冰里的陨石有不少也被推进到了碎石带里面。科学家们由此推断，在类似的碎石带里应当有相当多的陨石。中国陨石猎人队队长琚宜太：“从此我们可以确认，碎石带也是南极陨石的富集模式。在蓝冰上的陨石是黑色的，风化得较强烈，主要是随着风而来的。碎石带的陨石质地比较坚硬，因为它很多年很多年在碎石带里面跟着石头晃荡，一般熔壳不明显，咖啡色。”目前，科学家们在格罗夫山已经找到了三条富含陨石的碎石带。陨石猎人队也把搜集陨石的重点从蓝冰扩大到了碎石带地区。,南极陨石,从北京时间,2006,年,1,月,2,日零点，机械师徐霞兴在格罗夫山东南角的一号宿营地附近发现第一块重约,2.4,克的陨石算起，截至,1,月,15,日，考察队共发现陨石,1029,块，其中包括我国发现的第一块,0.8,克的月球陨石和到目前为止我国在南极发现质量最大的、重达,4.8,公斤的球粒陨石。我国目前所收藏的体积最大的南极陨石，它在,2002-2003,年的一次南极科考中被发现，约有两个拳头大小。,本节完,