先锋孤立子生成的理论平均波阻(Ⅰ).理论

根据作者导得的AfKdV方程，理论上确定了先锋孤立子生成问题的理论平均波阻，能量劈分及能量劈分比。本文的能量劈分是确定先锋孤立子生成参数的理论基础。同时，本理论确定了现有理论中的自由未知参数问题，从而使先锋孤立子生成参数得到理论预报。     

问题中的理论平均波阻(英文)

利用准三维的ｆＫｄＶ方程和四区间划分法,理论给出了任意截面的直渠道中先锋孤立子生成的理论平均波阻和区间平均能量的时间变化率。基于ｆＫｄＶ方程系数的正则性,文中结果是Ｘｕ等人结果的一个推广。对具有相同截面面积的正方形和等腰三角形截面的渠道及在不同强迫源和强迫源速度条件下,对理论平均波阻和平均生成能的时间变化率进行了数值比较和理论预报。比较指出,理论和数值结果吻合得很好。     

Generating Velocities in Precursor Soliton Generation in a Straight Channel with Arbitrary Cross Section

利用准三维的ｆＫｄＶ方程及四区间划分法,理论上求得了先锋孤立子生成诸速度—先锋孤立子的运动速度、压水区中流的速度及尾波列第一个跨零点的速度。所述理论是Ｘｕ等人的先锋孤立子生成理论的一个推广。作为应用的例子,运用作者得到的理论结果,对具有相同截面面积的等腰三角形和正方形截面的直渠中先锋孤立子生成的诸速度进行了理论预报和数值比较。比较指出,理论和数值结果吻合得很好。     

单层流驱动超临界孤立子的数值计算

用ｆＫｄＶ模式方程对单层二维表面波进行直接的数值研究。计算得出，在共振区域先锋孤立子的生成与Ｔ、Ｙ．Ｗｕ（吴耀祖）及Ｓ．Ｊ．Ｌｅｅ等人的结果相同。在共振点与超临界转向点之间，对每一个Ｆｒ数存在初始不稳定的单峰孤立子，其振幅随时间增加。当Ｆｒ数接近共振区时，初始孤立子分裂成先峰孤立子，即先峰孤立子生成是占优的。当Ｆｒ接近超临界转向点时，这类初始不稳定孤立子最终破碎。当Ｆｒ超过超临界转向点时，存在一类稳定的超临界孤立子，其振幅不随时间变化，但是它得自时间相关方程。这类孤立子位于驱动力上方，它的振幅随Ｆｒ的增加而减少．由于它不同于自由ＫｄＶ孤立子，因此本文称之为超临界驻定孤立子。     

两层分层流体中初始内孤立波分裂的数值研究

本文导得了1个研究内波分裂的射线型二维KdV方程。利用这一方程的一维退化方程进行了实验室尺度下孤立子型内波分裂的数值研究。数值结果表明,深水区的初始内孤立波和实测的内孤立波(内潮)在通过陆坡区时都会产生分裂,并在陆架上(浅水区)生成一内孤立子波列。这表明在实际海洋条件下,深海区内潮的分裂是陆架上海洋内孤立子波包(或波列)生成的主要机制之一。     

任意截面直渠中先锋孤立子生成问题中的生成周期和振幅(英文)

借助任意截面直渠中的ｆＫｄＶ方程,理论上确定了先锋孤立子生成的平均特性。基于任意截面直渠中的ＡｆＫｄＶ方程,求得了先锋孤立子生成问题中的理论生成振幅和周期。作为例子,文中预报和比较了正方形和等腰三角形断面直渠中的生成周期和振幅。并且,理论研究也证实,对于正方形渠,当渠宽ｂ＝１时,所得的结果可退化为Ｘｕ［１］等人的结果。     

孤立波与直墙式多孔介质结构相互作用数值分析

以连续性方程和雷诺平均方程为控制方程,用k-ε模型封闭方程组,采用VOF方法追踪自由面,建立了具有造波和消波功能的二维孤立波数值水槽。并基于改进的Darcy多孔介质模型研究了二维孤立波与直墙式多孔介质结构的相互作用问题。数值分析了孤立波与直墙式多孔结构相互作用引起的流场和波形变化特性,并与文献中的实验结果进行了比较,数值结果与实验结果吻合良好。     

常深度水域二维无旋进行波能流的劈分

本文用比较简单的方法对有限水深二维无旋进行波的能流进行了精确劈分,通过对能流的数值计算,证实能流主要是由于流体压强作功而引起的,但有时动能与势能引起的能流也可占相当比例,在极端情况下可达30%。本文还对目前实际工作中通用的按小振幅波理论计算能流的方法的误差作了讨论。另外,本文进行能流劈分的推导方法适用于有限水深和无限水深,比Starr对深水能流进行劈分的方法更简单和直接,因此本文所用的推导方法是对starr推导方法的一种改进。     

台湾岛东北海域潮致内孤立波二维数值模拟

现场观测和卫星遥感SAR图片均表明,台湾岛东北海域存在大量复杂的、无规则的内孤立波(列)。本文采用完全非线性非静力平衡的MITgcm模式,分别采用M2和K1分潮驱动,对该海域内孤立波的生成过程及其机制进行了二维数值模拟研究。研究揭示,该海域的内孤立波主要源于附近2个海槛处的潮地相互作用。正压潮流流经海脊时会激发内孤立波,潮流由退潮转换为涨潮时激发西向传播的内孤立波,由涨潮转换为退潮时则激发东向传播的内孤立波。通过对潮汐偏移及地形弗鲁德数的分析表明,内孤立波的产生机制是混合山后波机制。在海槛西侧,内孤立波在涨潮时向西传播,在落潮时受背景潮流的限制,西传速度明显减慢,甚至停滞;在海槛东侧,存在东传的第二模态内孤立波,并最终在向深海传播过程中逐渐消亡。本文设计了6个敏感性试验,以考察不同因子对内孤立波的生成和传播过程的影响。不同分潮驱动的数值实验表明,此区域的内孤立波主要是由半日分潮M2引起的,由于靠近全日分潮的临界纬度,单独的K1分潮不激发内孤立波。其他敏感性实验显示,海水层化对内孤立波的生成和传播有较大影响;科氏力对内孤立波的传播速度有一定的影响。     

内孤立波数值模拟方法研究

本文选用RNGk-ε湍流模型封闭二维不可压缩N-S方程组,选用KdV、mKdV理论作为输入条件进行内孤立波造波模拟。运用流体模拟软件Fluent建立二维内波数值水槽,用动网格手段实现网格变形模拟物理边界造波法,用VOF方法进行密度分层流体的内界面追踪,对不同非线性强度的二相流内孤立波进行了数值模拟。并将数值模拟结果与KdV、mKdV理论波形以及内波试验水槽所造内孤立波进行对比,验证了此套造波方法在Fluent中进行内孤立波模拟的可行性。     

南海北部内孤立波生成对黑潮响应的初步研究

为了研究南海北部黑潮入侵对内孤立波生成造成的影响,本研究在对合成孔径雷达图像处理分析的基础上,运用二维非静力模式,对南海北部内孤立波生成以及其对黑潮入侵的响应做了初步的模拟和分析。对4 a(2007~2010年)的合成孔径雷达(SAR)图像统计分析发现,内波出现频率呈现明显的季节变化。月平均数据表明,内波出现频率在5月到8月期间较高并在6月达到峰值,占全年总数的29%;而在11月到次年的2月份期间出现频率较低并在12月和1月达到最低,各占全年的0.5%。通过二维、非静力近似数值模拟研究发现:黑潮入侵引起的平流对吕宋海峡区域内孤立波的激发产生具有明显的影响。具体表现为,黑潮入侵引起的的西向平均流拉伸了内孤立波波形并加强内孤立波的能量的频散,使得大振幅内孤立波演变成多个分散的波动,波长变长、振幅变小。敏感性实验通过替换夏季温盐场为冬季温盐场,对模拟结果并无实质上的影响,表明冬夏季温盐场的差异并非是SAR观测内波出现频率呈季节变化的重要因素。     

吕宋海峡内波传播演化的数值模拟

吕宋海峡生成的内波在往南海西部传播的过程中,具有明显的二维辐射特征,这是传统的一维KdV模式无法刻画的.基于弱二维的KP方程,并结合南中国海吕宋海峡附近内孤立波的观测资料,模拟了潮成内波的演化特征.数值结果较好地反应了内孤立波的二维特征.相比于一维的KdV方程,KP在内孤立波的仿真反演方面具有更大的优势.     

基于光滑质点流体动力学方法数值波浪水槽研究

基于光滑质点流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法建立二维数值波浪水槽,利用推波板造波生成孤立波和不规则波,模拟结果跟实验值及解析解做了对比分析,结果令人满意.SPH数值水槽中生成的波浪具有明显的非线性,波浪能量沿程有所衰减,与物理水槽结果吻合良好.     

内孤立波波-波相互作用的数值模拟

基于弱二维的KP方程，并结合南中国海东沙群岛附近内孤立波的观测资料，模拟了内孤立波的波-波相互倌用0数值结果较好的反应了内孤立波的二维特征，同时体现两个内孤立波波-波相互作用的非线性特征，即两波相交处相速随振幅的增大而变大。相比于一维的KdV方程，KP在内孤立波的仿真反演方面具有更大的优势。     

南海北部a波和b波的生成与传播特征的数值研究

本文基于真实地形、潮汐的高分辨率三维MITgcm海洋环流模式,对南海北部a波（大振幅波列形式）和b波（孤立子形式）的生成与传播特征进行了数值研究。首先,我们总结和分析了这些波动的生成与传播特征。然后我们计算了吕宋海峡的能量收支。能量的生成在一天内有三个极大值,其中最大值对应a波的生成。吕宋海峡西边界的能通量一天内有两个极大值,较大的那个对应a波的生成而另一个对应b波的生成。我们设计了敏感性试验来探究吕宋海峡东西海脊对a、b波的生成和传播造成的影响。通过对比敏感性实验和标准试验的结果,发现对于a波的生成东海脊必不可少,但西海脊几乎没有影响。西海脊削弱了a波的振幅但未对a波波速造成明显的影响。b波来自于从东海脊生成的扰动信号。西海脊加强了这个扰动信号但减慢了它的传播速度。     

基于FLUENT的内孤立波质量源造波方法

为研究内孤立波质量源数值造波方法,本文采用两个点源形式的质量源,分别放置于两层流体的上下层中作为内孤立波激发源。推导源项表达式,从不可压缩流体的Navier-Stokes方程出发,结合内孤立波Kd V、e Kd V理论,基于商业软件FLUENT发展了一种内孤立波质量源数值造波方法。通过数值模拟,分析了质量源造波过程中内孤立波的生成过程,并将数值模拟结果同理论及实验作对比。结果表明:基于此方法生成的内孤立波波形、波高及波致水平速度与理论及实验吻合度较好,该方法是可行的,并且耗时短、效率高。     

基于机器学习的内孤立波波要素关系研究

内孤立波在海洋中的传播会携带能量和动量,不同振幅的内孤立波对海洋中的能量交换及海上工程等影响也不同,因此,研究内孤立波振幅与半波宽度、水深、分层条件、密度等水文特征参量之间的关系显得尤为重要。以往在研究中建立内孤立波振幅与它们之间的关系时,会受到不同理论有效适用范围的限制。本文借助实验室的水槽方法,设计了不同的水深、分层及密度条件下的内孤立波系列综合实验,发现内孤立波的振幅与半波宽度、水深、分层条件以及水体密度等参量之间并非简单线性关系。因此,利用机器学习的方法建立内孤立波振幅与上述参量之间的非线性关系,建立了支持向量机（SVM）和随机森林（RF）两种机器学习模型。将1 266组实验数据建立样本库,其中包含训练集970组,测试集296组,对模型进行参数调优,最终通过测试集验证,SVM模型的平均相对误差为17.3%,RF模型的平均相对误差为15.5%。该方法适用于多种不同的水文条件,有效解决先前理论存在的适用性问题。     

南海北部陆架区内波的演变与耗散机制

海洋是多尺度强迫-耗散系统,机械能主要在大尺度输入,在小尺度耗散。在大、中尺度运动的能量向小尺度湍流传递过程中,内波扮演着重要角色。内波的生成和破碎可打破海洋动力平衡,而在陆架区,内波（主要是内孤立波）的浅化演变与耗散则是驱动湍流混合的关键过程。通过长期的理论、观测与数值模拟研究,目前已认识到内波浅化过程中主要发生如下演变：波形调制、极性转变、裂变、破碎与耗散。相较于直接发生破碎,浅化演变过程中的裂变及其引发的剪切不稳定和对流不稳定是内孤立波在陆架区的主要耗散机制,显著调制陆架区的跃层混合。从能量串级的角度讲,内孤立波浅化裂变为动力不稳定的高频内波是潮能串级的重要通道。本文简要回顾南海北部陆架区内波的研究历史,并着重总结内波在陆架区演变与耗散机制的研究进展。     

有限深两层流体内孤立波非线性数值模拟入口边界条件研究

基于有限深两层流体KdV(Korteweg-de Vries)、eKdV(extended KdV)和MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口边界条件,采用理想流体完全非线性欧拉方程,建立了两层流体中内孤立波生成的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法。以系列数值模拟结果为依据,结合内孤立波非线性和色散参数的组合条件,给出了选择合适内孤立波理论解作为CFD数值模拟入口边界条件的方法,从而实现了振幅与波形可控的内孤立波完全非线性数值模拟。     

内孤立波过山脊地形演化实验研究

通过模型实验,研究了下沉型内孤立波通过山脊地形演化特征。实验以三角形障碍物模拟海底山脊地形,采用两种密度的分层水,对上层流体和下层流体的高度比、密度等进行了量化处理。实验研究表明:KdV理论波形可较好模拟本次实验内孤立波波形,但随着内孤立波振幅的增大,误差增加;在内孤立波与障碍物微量作用、中度作用和破波作用三种程度的相互作用中,内孤立波过障碍物具有不同的波形变化和主波能量衰减率。