内波频散关系的一种数值解法

基于Ｆｌｉｇｅｌ等（１９７５）采用的Ｔｈｏｍｐｓｏｎ－Ｈａｓｋｅｌｌ算法（Ｈａｓｋｅｌｌ，１９５１），在取消Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ近似的条件下求解线性内波方程，以研究内波的频散关系及其各种模态的垂直速度振幅随深度分布的特征。本文以南海（１３°３０′Ｎ，１１８°３０′Ｅ）、（９°３０′Ｎ，１１１°３０′Ｅ）两个测站夏季和冬季的内波特征的计算为例，分别用Ｆｌｉｇｅｌ等原先的方法（引入Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ     

海洋内波垂向结构的一种数值算法

依据由海上实测资料得到的海水密度、声速及浮性频率随深度的分布等数据，数值求解线性内波垂向问题方程，确定了其主要模态的弥散关系及其特征函数。     

海洋内波垂向结构的一种数值算法

依据由海上实测资料得到的海水密度、声还及浮性频率随深度的分布等数据，数值求解线发现人波垂向问题方程，确定了其主要模态的弥散关系及其特征函数。     

南海北部孤立子内波生成条件的初步数值研究

南海北部是一个孤立子内波活动频繁的海域,早在20世纪70年代,Fett等[1]就从卫星图片中发现在东沙群岛附近存在着孤立子内波;近年来,在该海域又多次观测到孤立子内波的活动(图1)[2-4];在1998年5～6月期间,中国科学院南海海洋研究所的“实验三号”科学考察船执行“南海季风实验”计划在南海北部东沙群岛以南进行定点观测时,也曾观测到孤立子内波的活动。     

内波吸引子的数值模拟

密度稳定层结的流体中产生的内波沿着由内波固有频率、流体浮力频率等因素所确定的特征线(或内波射线)传播。边界上的反射不改变内波的频率,从而也不改变反射后的内波特征线与重力方向所成的夹角。侧边界倾斜的封闭容器内,内波能量沿特征线传播的过程中经侧壁、表面和底面的反射可能会集中在一个封闭的轨道上,形成内波吸引子。该现象已经得到水槽试验、线性理论和数值试验的验证。本文利用非线性非静压的环流模式MITgcm,模拟了二维封闭区域中(1,1)-吸引子和(2,1)-吸引子的形成过程,并讨论初值条件对它们的影响。稳定的(1,1)-吸引子其极限环两侧流速出现很强的剪切流。当减小地形的坡度时,由于线性因素的增加,吸引子的结构不变,但吸引子厚度在相空间中的收缩速度加快。对于(2,1)-吸引子,由于轨道所成的两个环中间的节点耗散了部分能量,吸引子的收敛速度较慢。节点处,流体速度始终为0,但存在强烈混合,流体浮力频率呈现振幅较大的周期变化。     

海洋内波破碎问题的研究

从理论、观测、数值实验和实验室实验四个方面对国内外近20年来关于海洋内波破碎问题的研究成果进行了分析总结.数值实验和实验室实验表明:中高频内波破碎时,初始的不稳定是二维的,当最终有横向对流卷团形成时,能量开始大量耗散,这时不稳定发展成为三维的;从初始的二维不稳定到对流卷团的产生这一过程,到底是一个剪切不稳定过程,还是一个对流不稳定过程,或者是对流不稳定和剪切不稳定共同存在的一个过程,取决于海水的层化、地形、背景剪切流和内波的自身性质.现场曾观测到内孤立波破碎时存在的剪切不稳定过程,数值研究模拟出了内孤立波破碎时存在的对流不稳定过程.现有的海洋内波破碎判据主要是关于中高频海洋内波的.理论分析侧重于确定线性或弱非线性内波的破碎机制和破碎条件.     

初始倾斜跃层所致内波的数值研究

The pycnocline in a closed domain is tilted by external wind forcing and tends to restore to a level posi- tion when the wind falls. An internal seiche oscillation exhibits if the forcing is weak, otherwise internal surge and internal solitary waves emerge, which serve as a link to cascade energy to small-scale processes. A two-dimensional non-hydrostatic code with a turbulence closure model is constructed to extend previous laboratory studies. The model could reproduce all the key phenomena observed in the corresponding labo- ratory experiments. The model results further serve as a comprehensive and reliable data set for an in-depth understanding of the related dynamical process. The comparative analyses indicate that nonlinear term favors the generation of internal surge and subsequent internal solitary waves, and the linear model predicts the general trend reasonably well. The vertical boundary can approximately reflect all the incoming waves, while the slope boundary serves as an area for small-scale internal wave breaking and energy dissipation. The temporal evolutions of domain integrated kinetic and potential energy are also analyzed, and the results indicate that about 20% of the initial available potential energy is lost during the first internal wave breaking process. Some numerical tactics such as grid topology and model initialization are also briefly discussed.     

连续层化流体中内波破碎的动力学机制的数值研究

对单频内波在白噪声的干扰下引起的不稳定现象进行了数值研究,分析了不同振幅和不同Pr数(Prandtl number)对静力不稳定、剪切不稳定、对流不稳定出现的时间、地点及持续时间的影响.结果显示,静力不稳定总是比其它2种不稳定先出现,其持续时间也是最长的;振幅越大(Pr＝0.72)时,内波越不稳定,导致3种不稳定出现的时间明显提前;Pr数增大(A＝0.256)时,3种不稳定出现的时间也略有提前.     

一种基于声速剖面展开的内波监测新方法

声速剖面时空分布的获取是利用声学方法监测内波的核心问题。在反演算法中,声速剖面通常是采用展开的方式用若干个参数来表示的。这就导致了有时很难从反演结果中直接获得内波的相关信息。本文的目标是找到一种通过展开系数直接获取内波特性的方法。通过推导内波水动力方程,可以从较少的声速剖面样本中提取出水动力简正模态（Hydrodynamic Normal Modes,HNMs）作为声速剖面展开的正交基。较之广泛采用的正交经验函数（Empirical Orthogonal Functions, EOFs）,HNMs直接与内波活动相关,具有更明确的物理含义。然后,基于HNMs对声速剖面的时间序列进行展开,获得展开系数。最后,从前两阶展开系数的时间导数中可以获取内波活动的信息。将方法应用于受内波影响而具有明显时空扰动的南海北陆架区温度链数据,结果表明：只用前两节模态就可以在较好的精度范围内重构声速剖面。前两阶系数的时间导数具有独特的双震荡结构可以用于探测内孤立波。从展开系数也可以获得幅度以及波长信息。理论推导和实验分析证明了本文方法在内波监测中的有效性。HNMs方法使用便利且对样本的依赖性较小,可以在内波活跃海域作为EOFs的有效补充用于声速剖面的展开。     

吕宋海峡内波吸引子的三维数值模拟

Internal waves propagate along wave beams that are inclined with respect to the horizontal plane. It is conjectured that the internal waves generated in the Luzon Strait may be confined between the double ridges in the strait and concentrate to a closed trajectory, the so-called internal wave attractor, due to the reflection of wave beams from the lateral boundaries, sea surface and bottom. This work carried out two experiments using a three dimensional non-hydrostatic general circulation model, MITgcm, to investigate the possibility that the ridges in the Luzon Strait allows for internal wave attractors. Baroclinic current in both of the experiments demonstrate the forming of ring-like patterns in some section around 20° and 21°N, indicating that the development of the internal wave attractors are allowed in the Luzon Strait. The different resolutions and initial conditions in the two experiments also reveal that the internal-wave-attractor phenomenon is robust in this region.     

内孤立波的研究与数值模型

海洋内孤立波是一种特殊的内波,它能够长距离的传播而保持波形的基本不变。世界上很多海域都观测到了内孤立波的存在,我国南海也是内孤立波频发的典型海区。本文介绍了内孤立波的生成机制、南海内孤立波的研究现状并探讨了南海内波的源、最后介绍研究内孤立波所用的传播模型,认为建立水平二维的内孤立波传播模型具有重要的意义。     

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。     

Gerris在海洋大振幅内孤立波数值模拟中的应用

本文运用基于自适应网格的流体动力学开源软件Gerris,来建立基于Boussinesq近似下的二维不可压缩Euler方程组的数值模型,以模拟不同层化条件下稳定状态的完全非线性大振幅内孤立波。文中比较了完全非线性的用Gerris实现的Euler模型与弱非线性的KdV理论模型在刻画大振幅内孤立波结构及特征参数上的差异,说明在模拟大振幅内孤立波时,高阶非线性不应忽略。Euler模型模拟结果表明,完全非线性大振幅内孤立波的等密度面半宽度随深度变化,这使得基于KdV方程解析解、利用卫星SAR(Synthetic Aperture Radar)图像提取内孤立波极值间距来反演内波振幅的可行性存疑,需要重新评估。此外,本文用两组实测数据验证了用Gerris实现的Euler模型模拟大振幅内波的有效性。     

显式非线性弥散关系在浅水波变形计算中的应用

本文参照Ｚｈａｏ和Ａｎａｓｔａｓｉｏｕ的方法,导出了逼近Ｂｏｏｉｊ的非线性弥散关系的近似显式表达式,该式给出的结果与Ｂｏｏｉｊ的非线性弥散关系相当吻合。用中文显式非线性弥散关系,结合会弱非线性效应的缓坡方程,构成含非线性影响项缓坡方程的一个求解浅水波变形问题的方程组。用实验数据对本文模型进行验证,结果表明,显式非线性弥散关系在求解浅水波变形问题时,给出了更符合实验数据的结果。     

波浪的非线性显式弥散关系

波浪的非线性弥散关系在应用于求解波浪的变形问题时很不方便，需要与含非线性效应的缓坡方程一起进行迭代运算，往往导致数值计算的计算量太大，计算过于复杂。采用显式形式表达非线性弥散关系，可以克服上述缺点，大为简化波浪变形数值计算的计算量。本文通过将现有的非线性弥散关系进行分析比较，给出了一个更为一般的非线性弥散关系及其显式表达式，经比较可知，该显式弥散关系与相对应非线性弥散关系吻合的很好。本文最后用该显式结合含弱非线性效应的缓坡方程，对复式浅滩地形上的波浪折射绕射进行了计算。结果表明，考虑弱非线性可以得出与实验数据更为相符的结果，而采用显式弥散关系可以有效提高计算效率,在波浪的非线性计算中不失为一种切实有效的方法。     

内孤立波波致流场数值模拟研究

基于KdV、mKdV理论,利用Fluent计算软件,采用"平板拍击"造波方法,进行内孤立波数值模拟,并与物理实验结果进行对比验证。利用数值模拟结果,分析内孤立波波致流场变化,结果表明:上下层流体中波致水平流速方向相反,均呈现先增加后减小的变化趋势,且波谷经过时刻流速最大;在波谷经过断面处,波致水平流速在上层流体中沿垂向分布无明显变化,在波面以下的下层流体中有衰减趋势,但衰减很小;两层流体界面与波谷之间存在过渡水深范围,水平流速在该水深范围内沿垂向衰减明显,且随内孤立波振幅的增大,过渡水深范围有所增大。     

实验室造波条件对内孤立波发展影响的直接数值模拟

内孤立波具有振幅尺度大、能量集中的特点,其引起流场和密度场的迅速变化可能对海洋工程结构物以及水下潜体造成严重威胁。因此研究不同造波条件下生成的内孤立波运动的流场特征具有重要的学术意义和实际应用价值。采用直接数值模拟方法和给定的初始密度场密度跃迁函数,对重力塌陷激发内孤立波的运动过程进行研究,探讨了不同造波条件下,激发产生的内孤立波波型、涡度、振幅和水平速度等流场特征。结果表明:(1)直接模拟数值方法能够模拟内孤立波传播过程中的密度界面波型反转现象;(2)从定性和定量的角度,证实了不稳定内孤立波传播过程中存在能量的向后传递;(3)对于相同的台阶深度(水闸两侧初始密度界面的高度差),初始涡流保持相同,但是随着上下层水深比的减小,其强度下降显著;(4)台阶深度对初始涡流的垂直结构的影响要大于上下层水深比,且台阶深度对内孤立波的振幅、水平速度的影响显著。     

波浪非线性弥散关系分析

Hedges及Kirby等的非线性弥散关系及其修正式在浅水区小波陡时存在较大误差 ,李瑞杰等针对这个问题给出了新的非线性弥散关系式。本文通过对各种非线性弥散关系计算分析可知 ,由李瑞杰等提出的非线性弥散关系除了具有Hedges ,Kirby和Dalrymple等人提出的非线性弥散关系及修正式的优点外 ,还能大大地减小在小波陡相对水深为 1相似文献   

内孤立波数值造波方法及其与理论和实验结果的比较

为评估不同内孤立波数值造波方法,本文基于Kd V、m Kd V和e Kd V三种理论模型,分别采用双推板、平板拍击和速度入射边界三种数值造波方法,对内孤立波进行了模拟,并将数值模拟结果与理论及实验结果进行对比和分析。结果表明:三种数值造波方法均能实现对内孤立波的模拟,但在造波效果及效率方面存在差异。速度入射边界法在造波效果及效率方面都比较好;平板拍击法的造波效果较好,效率略差;双推板法在造波效果及效率方面均略劣于以上两种方法。