背景流在内孤立波对小直径桩柱作用力中的影响

本文首先采用GK-dV方程,在考虑背景流和未考虑背景流2种情况下,对南海东北部向西传播的大振幅内孤立波进行了模拟。通过对比两组结果,发现背景流的引入,会使内孤立波的传播速度变快、波形变窄、振幅变大,以及波致流变强。然后,采用Morison’s公式计算了内孤立波对小直径桩柱的作用力和力矩,通过对比,发现在引入背景流后,作用力和力矩均变大,作用力增大9.0%,力矩增大32.5%,因此背景流在内孤立波对小直径桩柱的作用力中有着重要的影响。     

南海北部陆坡内孤立波对桩柱作用力的极值推算

内孤立波的发生常伴随着大振幅波动和突发性强流,对桩柱等海中结构物产生强烈破坏作用。基于KdV方程和Morison公式,在忽略高阶模态的情况下,探讨内孤立波对桩柱的单位作用力、总作用力、剪力和弯矩的极值问题,并利用2016-07南海北部陆坡的实测资料对理论结果进行检验。结果表明:1)在内孤立波最大振幅所在的垂向剖面上,上层与下层各存在一个单位作用力极值,且二者方向相反,上层总作用力强于下层,最大剪力和弯矩分别发生于水平流速的转向层和海底;2)各水层中,沿着内孤立波的传播方向,所有作用力的数值均随时间的推移先递增后递减,存在正向或负向的最大值;3)全水层总作用力极值发生在半周期,其值与波动振幅和水平波速有关,其他作用力极值发生于最大振幅时刻之前,作用力极值与振幅和非线性波速正相关,与水平特征宽度负相关;4)单位作用力极值的时间提前量与振幅和水平特征宽度强相关,与非线性波速弱相关。     

用Morison公式试算海洋内孤立波对桩柱的作用力和力矩

根据实测流速资料采用Morison公式初步计算了海洋内孤立波对桩柱的作用力和力矩。内孤立波对桩柱的作用力与表面波的作用力是明显不同的。内孤立波的作用力几乎分布在整个深度范围；它在铅直方向不但有量值变化。也有方向改变——第一模态内波的作用力在桩柱的上、下部位作用方向相反。表面波对桩柱的作用力随深度的增大较快的衰减。且深度的改变不会使作用力的方向发生变化。计算结果表明：引起2．1m／s水平流的内孤立波对桩柱产生的总作用力约相当于300m波长、18m波高的表面波的总作用力；由于海洋内孤立波能引起很大的水平流，它对海上石油平台桩柱产生的总作用力以及相对于海面的力矩是不能忽略的。因此，在海上石油平台设计中应充分重视内孤立波的作用。     

关于小直径垂直桩柱结构的波浪力研究

本文归纳了应用Morison方程中涉及的研究成果。分别从阻力系数和惯性力系数。规则波与不规则波，二阶力和线性化，桩群受力等方面进行了论述。对目前该领域的研究给出了系统的介绍。     

内孤立波与平顶海山作用的能量耗散实验研究

内波破碎引起的能量耗散和混合是海洋内部的重要物理过程.通过在二维内波水槽进行实验室实验,分析内波与地形的作用,探究内孤立波与平顶海山地形作用时波要素、能量以及湍耗散率的时空变化.本实验利用重力塌陷法在两层流体中制造第一模态内孤立波,通过粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)获得...     

计算孤立桩柱上波流共同作用力的修正的Morison方程

自1950年Morison方程问世以来,它在海洋工程设计中得到了广泛的应用,同时,许多学者对它进行了大量的研究工作。对纯波浪情况和纯水流情况,按照Morison方程计算桩柱上的水动力,已经有较成熟的成果,然而对波浪与水流共同作用情况下桩柱上水动力的研究却很少,仅见于文献[1-8]。     

计算孤立小桩柱上随机波浪力的一个线性的Morison公式

本文在线性波理论下，从计算孤立小桩柱上随机波浪力的Ｍｏｒｉｓｏｎ公式出发，通过对波浪力的概率密度的推导和分析，提出了一个新的线性化的Ｍｏｒｉｓｏｎ公式，该公式与已在工程上广泛使用的Ｂｏｒｇｍａｎ１９６７年提出的线性化的Ｍｏｒｉｓｏｎ公式在对照力的线性化上略有不同，由这个公式计算的小桩柱上的阻力是按Ｂｏｒｇｍａｎ线性化的Ｍｏｒｉｓｏｎ公式进行计算所得结果的１．０８倍，但按这个新的线性化的Ｍｏｒｉｓｏ     

海洋内孤立波作用下潜体运动响应特性研究

2021年4月印度尼西亚海军“南伽拉402”号潜艇在巴厘岛以北约60海里（111.12 km）处发生沉没,分析表明大振幅海洋内孤立波作用可能是事故原因之一。基于大振幅内孤立波eKdV理论与Morison公式建立了内孤立波作用下潜艇的运动学模型,揭示不同内孤立波振幅、潜艇潜深条件下潜艇的运动响应特性,进一步说明内孤立波可能造成印度尼西亚潜艇失事。结果表明：内孤立波对潜艇的运动状态产生巨大影响。垂直方向上潜艇在短时间内产生大幅度掉深,而水平方向上其运动方向在密度界面上或界面处与内孤立波传播方向一致,界面下则相反,且内孤立波产生的垂向力矩可能造成潜艇倾覆。不同波幅、潜深下潜艇表现出不同的运动响应规律。研究表明印度尼西亚潜艇失事可能是潜艇执行任务过程中遭遇了较大振幅内孤立波,导致其发生大幅度、迅速掉深。     

植物对孤立波作用下直立堤局部冲刷影响实验研究

基于水槽实验,研究植物对孤立波作用下直立堤局部冲刷的影响。通过改变实验入射波高、植物带的宽度和密度,分析各要素对直立堤局部冲刷的影响。实验对波高沿程变化、孤立波越堤、回落过程以及地形演变进行全程的测量和记录,并进行有无植物带保护的直立堤局部冲刷对比分析。结果表明,植物带的存在,使得堤后相对最大冲刷深度显著减小,堤前冲刷形态由单峰式"L"型变为双峰式淤积沙坝形态,且冲刷位置由原堤脚前移至植物带所在位置,冲刷范围大幅增加。减小植物带密度或者植物带宽度会使近岸侧或是离岸侧的相对最大冲刷深度和相对最大淤积高度有增大的趋势,但是当入射波高增大时,二者的影响不显著。该研究对实际工程中植物带的合理布置提出了具有参考性的建议,对减少堤防工程的冲刷和损失有一定现实意义。     

下凹内孤立波致流场结构及其影响因素的实验研究

为进一步探究海洋内孤立波诱导流场对海洋工程结构物以及潜航器的影响,本文采用重力塌陷方法和粒子图像测速(Particle Image velocimetry,PIV)技术在大型分层流水槽中进行内孤立波造波以及内部流速场测量,定量分析了下凹型内孤立波诱导流场结构及其影响因素。研究表明:在密度分层流体中,PIV技术可实现对大幅面内孤立波诱导流场的精细测量以及波动结构特征的准确描述;水平流速在上下层方向相反且在跃层处最小,其剪切作用在波谷附近最强;垂向流动在波前和波后分别为上升和下沉流,两者流速值在距离波谷1/4~1/2波长位置达到最大;在相同内孤立波振幅条件下,上下层流体密度差越大、厚度比越小,则波致流场越强;随着振幅增大,流场结构与Kd V、e Kd V和MCC理论模型对应波幅适用范围的描述相吻合。     

内孤立波过凹陷地形的实验探究

本文通过实验室水槽实验,讨论内孤立波经过凹陷地形的演化过程。实验在两层流体中进行,上下水层的厚度和密度被定量地控制,改变凹陷地形的宽度,并对每种地形分别进行了不同分层结构下具有不同初始振幅的内孤立波对照实验,研究内孤立波与凹陷地形的作用过程。研究发现,本文实验环境下凹型内孤立波实验波形与mKdV(Korteweg-deVries)理论波形更符合;而上凸型内孤立波实验,当非线性参数ε≤0.22时,KdV理论波形与实验波形符合较好,当非线性参数ε≥0.27时.mKdV理论与实验波形符合较好。下凹型内孤立波经凹陷地形过程中波形变化轻微,主波振幅有先减小后增大的趋势,且障碍比越大,变化趋势越明显。本实验结果可作为研究海洋中内孤立波与海底凹陷地形作用情况的参考。     

海底山脊作用下内孤立波破碎研究

基于实验室水槽实验,研究了内孤立波在海底山脊地形存在下的破碎过程。实验设置了两层流体的分层环境,定量地控制了上下层水体厚度及密度,使用不同高度的高斯地形模拟实际的海山作用,讨论了不同高度地形作用下内孤立波破碎过程的异同。实验结果表明,内孤立波的破碎过程中由于逆压梯度的存在,在地形处发生边界层分离,产生了底边界层反向射流和涡脱落现象,计算了内孤立波破碎过程中产生的底部切应力的分布。本文通过实验模拟了内孤立波再海山作用下的破碎过程,进一步探究了海山对内孤立波破碎的影响和底部切应力的作用,对于研究自然界中海洋内孤立波在海山区域的破碎现象有参考价值。     

内孤立波破碎所致混合的实验研究

为定量分析内孤立波破碎的混合过程,本文在二维内波水槽中进行了两层流体第一模态内孤立波在斜坡上破碎的实验,运用粒子图像测速技术(PIV)测量内孤立波传播、破碎、反射过程的流场,计算涡度、湍动能和湍耗散率。结果表明不同振幅内波在不同角度斜坡上破碎时各个量的分布特征十分相似,各组实验各要素时间序列中均有两个峰值,分别发生于非线性增强和破碎时刻。得到破碎时湍耗散率与内孤立波振幅的关系为:较小振幅内波的湍耗散率与振幅呈2次关系,无因次振幅增大到0.9湍耗散率趋于不变;与斜坡角度的关系为:对于小振幅内波斜坡角度增大,破碎程度降低,耗散率减小;振幅较大时,存在一个角度使破碎程度最大。破碎引起的湍耗散率的量级在10–7到10–4m2/s3之间,比实测海洋中内孤立波传播界面和内潮遇地形破碎的湍耗散大1个量级。     

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。     

粗糙地形对内波生成影响的实验研究

为了研究粗糙地形对内波共振生成的影响,本文在实验中采用粒子图像测速法(PIV)对内波速度场进行测量。实验中设置了两种不同尺度的粗糙地形,其中一种地形的粗糙尺度大于黏性边界层厚度(δ),另一种地形的粗糙尺度小于δ。结果表明两种粗糙地形都使共振内波的能量减弱,粗糙地形一侧生成的内波强度约为光滑地形一侧生成内波强度的40%。当粗糙地形的尺度大于δ时,在粗糙地形一侧除了共振内波以外还有明显的内波射线生成,粗糙地形上的每一个凸形间断点都成为了一个新的内波源点,每条内波射线的强度约为共振内波强度的1/10,由新源点生成的内波射线相位基本一致,落后于正压潮3π/5个相位。当粗糙地形的尺度小于δ时,粗糙地形一侧仅有共振内波生成,共振内波的相位与正压潮相位十分接近。     

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。     

基于遥感图像的南海北部内孤立波及相互作用研究

本文通过对卫星遥感图像中的内孤立波及相互作用现象进行统计分析,讨论了南海北部内孤立波及相互作用现象的时空分布特征,验证了利用卫星遥感图像反演内孤立波振幅和传播速度以及研究内波相互作用现象的可行性。统计结果表明,南海北部的内孤立波主要集中在东沙群岛以及海南岛南部,内波相互作用主要集中在东沙岛西北部以及海南岛南部。本文对此给出解释:内波传播至东沙岛附近发生绕射,绕射的内波分裂成两列后以不同的传播方向继续向西传播,相遇并发生相互作用;内波在海南岛浅滩处发生反射,与后续传来的内波发生相互作用。同时,本文利用Korteweg-de Vries (KdV)方程和Benjamin-One(BO)方程,结合观测数据,对内波振幅和传播速度进行了反演实验。反演所得的内波振幅和传播速度与南海北部实际内波振幅和传播速度相近。     

基于遥感与现场观测数据的南海北部内波传播速度

南海北部是全球海洋中内波最为活跃、生成和演变机制较为复杂的海域,本文利用多源卫星遥感数据(MODIS、GF-1、ENVISAT ASAR、RADARSAT-2)和现场观测数据开展了南海北部内波传播速度的研究。通过匹配捕获同一条内波的相邻两幅遥感图像,由内波的空间位移和时间间隔反演传播速度,并以0.5°×0.5°网格给出了南海北部内波传播速度的分布图。研究结果表明,内波传播速度受背景流场、水体层结和底地形变化等多因素影响,特别是水深。在南海北部由东至西、由南至北方向,内波传播速度逐渐递减。深海区内波传播速度最大,可达3m/s以上;内波在向西大陆架传播过程中,随着水深变浅速度逐渐减慢,传播速度为1—2m/s;大陆架浅海的内波传播速度较小,仅为零点几米每秒。同时,利用Kd V方程反演了内波传播速度理论值,对遥感数据提取的内波传播速度进行了精度验证,结果较为一致。