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...     

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。     

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MODIS图像的内孤立波信息反演——以南海北部深水区为例

卫星遥感技术是探测海洋内孤立波的重要手段,目前提取内孤立波特征参数的工作均使用SAR图像。本文首次探讨了基于MODIS可见光图像的内孤立波信息反演方法,并对位于南海北部水深3 000m左右的内孤立波个例进行了研究,发现其振幅为124m,传播速度为3.14m/s,半波宽度为3 258m。根据潜标现场观测结果对反演得到的内孤立波信息进行了检验,结果表明,此方法具有较高的准确度,为研究南海北部深水区内孤立波提供了一条新的可行路径。     

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。     

利用GF-1和MODIS准同步光学遥感图像反演内波参数的研究

高分一号(GF-1)光学遥感卫星的发射为海洋内波的研究提供了精细的观测资料,利用其图像高空间分辨率的优势,结合高时间分辨率的中分辨率成像光谱仪(MODIS)的匹配数据,能够对南中国海东沙岛附近的内波开展特征参量的反演。本文处理了GF-1和MODIS的准同步图像,选取东沙岛附近的相邻时刻的同一条内波进行分析,提取其空间位移,计算出内孤立波传播的群速度。分析GF-1和MODIS图像上同一条内波的灰度剖面,计算了明暗条纹间距,结合当地水深和温盐数据,应用非线性薛定谔方程反演内孤立波的振幅,探究大陆架附近内孤立波的振幅演变。研究结果表明:内孤立波的群速度在东沙岛附近向西传播过程中逐渐变小;在相似的温盐条件下,遥感图像中内波的明暗条纹间距和振幅呈现负相关,在深海区水深和振幅呈现正相关关系,在浅海区由于非线性作用增强会出现振幅随水深变小反而增大的现象。     

基于Fluent的内孤立波质量源造波方法研究

在RNGk-ε湍流模型下,基于Fluent平台中的DEFINE-SOURCE宏,结合KdV与eKdV理论编写相应程序,从粘性不可压缩流体的N-S方程出发,进行了基于质量源造波法的内孤立波数值模拟,并将所得模拟结果与物理实验结果、理论值及速度入口法与平板拍击法数值模拟结果进行了对比和分析。结果表明:质量源造波法所得波形与物理实验结果、理论值及速度入口法与平板拍击法数值模拟结果吻合较好,验证了本文所述质量源造波方法的可行性和有效性,且该方法对振幅水深比小于0.1和大于0.1的内孤立波均具有较好的适用性。此外,质量源造波法避免了动网格的使用、可用于研究速度边界未知的情况、耗时短、效率高、适应性强等优点为进一步研究内孤立波与海洋结构物的相互作用问题提供了一种新的实现方案。     

浮式生产储油系统内孤立波载荷特性实验

将置于大尺度密度分层水槽上下层流体中的两块垂直板反方向平推,以基于MCC理论解的内孤立波诱导上下层流体中的层平均水平速度作为其运动速度,发展了一种振幅可控的双推板内孤立波实验室造波方法,并对内孤立波作用下浮式生产储油系统(FPSO)的载荷特性开展了系列实验。结果表明,无因次内孤立波水平力和力矩幅值均与先导内孤立子无因次振幅之间呈线性关系,其斜率与上下层流体深度比有关;在各种上下层流体深度比下,无因次内孤立波垂向力幅值与先导内孤立子振幅之间近似呈幂函数关系。     

内孤立波对不同水深竖直圆柱体水平作用力分析

采用理论研究和试验研究相结合的方法,对两层流体中内孤立波对不同水深竖直圆柱体水平作用力进行了分析。采用重力塌陷法进行内孤立波造波试验,通过PIV(Particle Image Velocimetry)技术获取内孤立波波剖面的时间序列,利用测力系统对竖直圆柱体在内孤立波作用下的受力进行测量。通过内孤立波波剖面试验分析,选取合适的内孤立波理论并对竖直圆柱体所受内孤立波作用力进行计算,将计算结果与试验结果进行汇总分析。结果表明:上层流体中圆柱体所受内孤立波最大水平作用力明显大于下层流体中各段圆柱体,且方向相反;随着内孤立波振幅的增大,各段圆柱体所受内孤立波最大水平作用力也相应地增大;密度跃层处圆柱体所受水平作用力具有相较于其他位置处更为复杂的变化趋势;选用合适的内孤立波理论进行计算能够较好的模拟竖直圆柱体的实际水平受力。     

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。     

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。     

南海北部内孤立波SAR遥感反演的初步研究

应用海洋内孤立波2层流体模型的SAR遥感反演技术,对南海北部内孤立波SAR遥感反演进行了初步研究.对于不存在由同一波源生成的2个内孤立波波包的SAR遥感图像资料,可以利用Levitus等的月平均温盐资料确定跃层深度和约化重力加速度,进而确定内波波速并进行内波振幅的反演.这样能够充分利用宝贵的SAR图像资源.     

南海东北部深水海域大振幅内孤立波SAR遥感仿真研究

为了克服基于两层海洋的内孤立波SAR遥感仿真模型的缺陷,使用基于连续分层海洋模型的GK-dV方程,在南海东北部深水海域进行了大振幅内孤立波传播模拟,模拟输出内孤立波振幅91.0m,半波宽度262.0m。然后使用新建立的基于连续分层海洋模型的内孤立波SAR遥感仿真模型进行了内孤立波反演,反演出内孤立波半波宽度251.5m...     

光滑表面内孤立波光学遥感图像的实验研究

基于光学遥感图像的内孤立波参数反演是一项重要的工作。本文在实验室条件下提出一种新方法用于模拟光滑表面情况下内孤立波的光学遥感成像。基于二维内波水槽、LED平板面光源和CCD相机搭建仿真光学遥感系统探测内孤立波。水平表面的光学遥感图像和垂向内孤立波传播图像被同时探测,旨在探讨在光滑表面下,光学遥感与内孤立波的响应。结果表明,内孤立波传播经过时,CCD1相机获得暗纹,暗纹的特性随光源入射角的变化而变化。光学遥感特征参数和垂向波要素相对应。实验还显示光学遥感图像的暗纹宽度与内孤立波的半波宽度在不同内孤立波振幅下呈现正相关关系。该系统有着现象清晰,重复性高的优点,为定量研究光学遥感成像机理提供科学依据。     

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。     

数值波浪水槽中完全非线性浅水波仿真特性研究

应用基于势流理论的时域高阶边界元方法,建立一个完全非线性的三维数值波浪水槽,通过实时模拟推板造波运动的方式产生波浪。通过混合欧拉-拉格朗日方法和四阶Runge-Kutta方法更新自由水面和造波板的瞬时位置。利用所建模型分别模拟了有限水深波和浅水波,与试验结果、相关文献结果和浅水理论结果吻合较好,且波浪能够稳定传播。系统地讨论造波板的运动圆频率、振幅和水深等对波浪传播和波浪特性的影响,并对波浪的非线性特性进行分析,研究发现造波板运动频率、运动振幅以及水深均将对波浪形态和波浪非线性产生显著影响。结果为真实水槽造波机的运动控制以及波浪生成试验提供了依据,便于实验室设置更合理的参数来准确模拟不同条件下的波浪。     

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。     

南海北部内孤立波绕东沙岛传播特性的数值研究

使用三维非静压环流模式MITgcm探究生成于吕宋海峡并向东沙岛传播的内孤立波。模式结果再现了东沙岛附近内孤立波的垂向振幅变化和到达时间。在不同纬向断面中,经向不对称的等密线起伏表现出内孤立波在南海的三维性特征。东沙岛附近的海表高度梯度变化表明,内孤立波在绕过东沙岛后,分离为2个短波峰线内波,此后两者相互作用。内孤立波在大陆坡浅化过程中相速逐渐减小,并与具有半日周期的理论线性相速度吻合一致。内孤立波与东沙岛碰撞后,在岛东北部会出现反射信号。本文利用斜压潮能通量,分析了反射能与入射之比在大潮期与小潮期的差异,发现小潮期的比值大于大潮期。选取东沙岛附近的3个站点,其垂向振幅表明A波与B波在大小潮转变时有不同的变化特征。在东沙岛西部和西北部的两个站位(WB和WN),A、B波均能被显著观测到;但在东沙岛南部站位(WS)只能观测到振幅具有正弦变化趋势的B波信号。     

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。