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。     

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。     

内孤立波与深海立管相互作用数值模拟

提出了一种对内孤立波与深海立管相互作用耦合数值模拟方法。流场采用内孤立波数值水槽方法进行模拟,结构响应采用基于薄壳理论的有限元方法进行计算,采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的方法,实现了流体与固体之间的耦合数值模拟。对内孤立波作用下某长径比为1 200的深海立管载荷及其动力响应特性进行了数值模拟与分析。结果表明内孤立波不仅会对深海立管产生突发性剪切载荷作用,而且还会使立管产生大幅度变形响应现象,因此在深海立管设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。研究表明,该方法为研究内孤立波作用下深海立管动力特性及其工程预报相关问题提供了一种有效的手段。     

基于变系数Korteweg-de Vries方程的海洋内孤立波非线性相互作用仿真模拟研究

本文主要是利用含有散射项和微扰项的变系数Korteweg-de Vries方程的双孤子解对海洋内孤立波的非线性相互作用进行研究.在南海东沙群岛海域,着重分析该弹性碰撞在合成孔径雷达图像上的信号特征,同时研究耗散项和微扰项对海洋内孤立波的弹性碰撞引起的表层流速的影响.     

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.     

内孤立波反射和相互作用的实验探究

本文使用重力塌陷造波法,在内波实验室三维水糟内造波,并借助染色技术、水体灰度值反演以及高速图像记录系统来展开相关实验.我们分别进行了不同水深下内孤立波在竖直挡板上的反射和不同振幅下波-波相互作用实验,每种实验分别设计了三组.通过反演计算发现:内孤立波反射实验中,马赫峰振幅并没有出现所谓的"四倍放大效应",水深深度的变化...     

基于MCC理论的内孤立波数值模拟

基于MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口条件,结合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与传播的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值水槽方法。在系列数值模拟基础上,获得了内孤立波设计振幅与数值模拟振幅之间的相关关系,实现了在振幅可控条件下的内孤立波数值模拟。结果表明,在极限振幅范围内,数值模拟所得内孤立波波形均与MCC理论解吻合良好,而KdV(Korteweg-de Vries)和mKdV(modi-fied KdV)理论解只适用于小振幅的情况。同时,利用CFD数值模拟结果,对内孤立波诱导流速场特性进行了分析,结果表明内孤立波诱导水平速度在上层及波面下方流体层中垂向衰减很小,但在内界面与波面之间流体层中垂向衰减明显。     

两层流体中内孤立波与潜体相互作用数值模拟

提出基于双推板的内孤立波数值造波方法,对两层流体中内孤立波与潜体的相互作用进行了数值模拟,分析不同潜深下潜体所受的内孤立波载荷特性.结果表明,内孤立波对水下潜体的载荷作用是不可忽视的.特别地,当潜体位于内孤立波中时,其所受的垂向力要远比潜体位于内孤立波下时的大.     

分层海洋的内孤立波

本文从流体力学基本方程组出发,在非地转条件下导得了分层海洋的内孤立波方程—Kbv和mKdv方程,证实了在非地转条件下,一类海洋非线性波动是可以严格满足内孤立波方程的。在地转条件下采用f平面近似导出了KdV方程的演化形式一有源KdV方程,地转的影响含于源项中。由初步的分析得出,f对KdV方程的影响是微弱的。由已得的KdV和mKdV方程的解可知,内孤立波与线性波有着本质差别。     

南海北部内孤立波数学模型

在二层内潮数学模型的基础上,考虑非静力平衡扰动压力的影响,导出潮频内孤立波产生、传播的数学模型。该模型不受小地形假设的限制,并适用于南海。应用该模型能解释说明产生以下现象的物理机制：潮流流过巴坦-萨布坦海脊时,在一定海洋环境条件下,通过潮流与起伏的底地形相互作用可激发产生潮频内孤立波,并西传至东沙群岛附近的海域。     

青岛外海潮致第二模内孤立波的观测研究

根据在青岛附近海域开展的现场观测数据介绍了一种可能的新的第二模内孤立波的产生机制。温度链观测数据显示在2 h内孤立波特征由显著的第一模内孤立波变为了显著的第二模内孤立波。所观测到的第二模内孤立波的波面起伏和它的垂直结构同KdV(Korteweg-de Vries)方程的理论结果吻合良好,对应涨潮引起的内波非线性系数、频散系数以及Ursell数的变化和第二模内孤立波的产生相匹配。这些结果表明,所观测到的第二模内孤立波可能是由于涨潮导致的局地层结快速变化引起的。进一步分析表明,局地层结快速变化可能由潮汐推动黄海冷水团边缘锋面移动引起。     

南海东北部C型内孤立波的观测与分析

基于布放在南海东北部陆坡海域的5套潜标观测到的内孤立波波列数据和孤立波扰动KdV(PKdV)理论,研究内孤立波在趋浅陆架上的传播特征。得出如下结果:1)观测到的内孤立波属于C型内孤立波,即平均重现周期为(23.41±0.31)h。2)内孤立波在西传爬坡过程中,其振幅表现为先增大后减小再增大,与该海域温跃层深度的变化趋势一致;由观测数据和理论计算得到的孤立波振幅增长率(SAGR)数值接近,表明该海域的内孤立波的振幅变化可以采用由孤立波PKdV方程导出的趋浅温跃层理论来描述。3)随着水深变浅,内孤立波传播方向向北偏移,传播速度减小,即在A,B和D站位,传播方向分别为279°,296°和301°,偏转角度达22°;传播速度分别为2.36,2.23和1.47 m/s,减小38%。     

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。     

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。     

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.     

Numerical Model of Internal Solitary Wave Evolution on Impermeable Variable Seabed in A Stratified Two-Layer Fluid System

1.IntroductionIn mathematics and physics,a soliton is a self-reinforcing solitary wave caused by nonlinear ef-fectsinthe medium.Solitons are found in many physical phenomena(Chou and Shih,1996;Chouand Quyang,1999;Chouet al.,2003;Chenet al.,2004;Wang,2004;…     

Laboratory Observations on Internal Solitary Wave Evolution over A Submarine Ridge

Laboratory experiments were conducted in a wave flume on internal solitary wave （ISW） of depression and elevation types propagating over a submarine ridge in semicircular/triangular shape. Tests were arranged in series for combinations of submarine ridges of different heights and ISW of different amplitudes. The resuhant wave motions were found differing from thee of surface gravity waves. In deeper water, where an ISW of depression-type prevailed, the process of wave breaking displayed downward motion with continuous eddy on the front face of the ridge followed by upward motion towards the apex of the obstacle. Experimental results also suggested that blockage parameter ξ could be applied to classify various degrees of ISW-ridge interaction, i.e., ξ 〈 0.5 for weak interaction, 0.5 〈 ξ 〈 0.7 for moderate interaction, and 0.7 〈 ξ for wave breaking.     

Breaking of Solitary Waves on Uniform Slopes

The propagation,shoaling and breaking of solitary waves on mild slopes are simulated byboundary element method.In this paper,the criterion of breaking solitary waves on mild slopes is discussed.The criterion is that the ratio of horizontal velocity of water particles on the wave crest to wave celerity equalsone.However,the case that the ratio of horizontal velocity of water particles on the wave crest to wave ce-lerity is below one but the front face of wave profile becomes vertical is also considered as a breaking criteri-on.According to the above criteria,the breaking index for slopes 1:10 to 1:25 is studied.The result is com-pared to other researchers'.The deformation of solitary waves on slopes is discussed and the distribution offluid velocities at breaking is shown.     

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。