内波研究的国内外发展现状

海洋内波与海洋水声学、海洋生物学、物理海洋学和军事海洋学等学科有着密切的联系,因而受到各国政府和海洋学家的普遍关注.本文基于近二十年来国外与国内在海洋内波方面的研究成果,首先从各个角度介绍了内潮波与内孤立波方面的国内外发展状况;其次介绍了有关赤道大洋内波方面的研究成果;最后对今后内波研究的发展方向做了展望.     

内波流场中悬链线立管涡激振动数值研究

基于内波流场的eK dv理论并结合尾流振子模型和挠性立管的非线性振动方程建立内波流场中悬链线立管计算模型,研究了内波流场中悬链线立管升力方向运动的响应问题,并分析了内孤立波波高和密度跃层位置对悬链线立管升力方向响应的影响.结果表明:内孤立波经过悬链线立管时会引起突然增大的涡激振动,其中高阶模态占主导;涡激振动最大位移发...     

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。     

南黄海非线性内波的数值模拟研究(2)——内潮的非线性演变

在本工作的先行部分的基础上,本文中考虑第一模态半日内潮波分别从A站位(34°4′N,125°6′E)和B站位(36°34′N,123°51′E)向西、西南和西北方向的反射和非线性演变过程,使用的数学物理模型为适用于连续层化海洋并且考虑背景正压落潮流与涨潮流不同作用的一般化的KdV模型(简称之为GKdV模型)。模拟结果表明,南黄海的内孤立波集中分布于南黄海的南部,而在其北部极少出现内孤立波的主要原因是在南黄海的南部存在较强的背景斜压环流和很强的背景正压潮流,而且在涨潮时段(相对于朝鲜半岛的西海岸而言)背景斜压环流和背景正压潮流的方向基本相同,而在南黄海的北部这2种背景流都很弱。另外,由于出现高达0.75 m/s的正压潮流,自A站位向西北方向传播的半日内潮波处于不稳定状态。     

季节性层结对孤立内波作用于圆柱载荷的影响

On the basis of Morison＇s empirical formula and modal separation method in estimating the force and torque exerted by internal solitary waves （ISWs） on a cylindrical pile, it is found that the loads exerted by the ISWs change largely in different seasons at the same site of the continental shelf in the South China Sea （SCS） even under the condition that the amplitudes of ISWs are the same. Thus, the effect of a seasonal water stratification variation on the force and torque exerted by the ISWs is investigated, and a three-parameter stratification model is employed. It is shown that the loads exerted by the ISWs depend largely on the wa- ter stratification. The stronger the water stratification, the larger the force and the torque; when the depth where the maximum thermocline appears is deepened, the force decreases but the torque increases; when the width of the thermocline is narrowed, the force increases but the torque decreases. The seasonal varia- tion of the force and the torque exerted by the ISWs in four seasons in the SCS is thus explained. Key words： internal solitary waves, force, torque, water stratification, South China Sea     

水槽中浅水非线性长波传播的 Boussinesq 数值模拟

浅水非线性长波传播变形中会产生波-波相互作用,为较好地模拟这种现象,在非交错网格下建立了近似在阶完全非线性的高阶 Boussinesq 数值模型.数值模型中采用了混合 4 阶 Adams- Bashforth -Moulton 格式和内部造波技术.数值计算了非线性长波在波浪水槽中的传播变形,计算结果与相关实验数据吻合较好,验证了该数值模型实用性.     

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。     

南黄海非线性内波的数值模拟研究(1)——内潮的内Kelvin波模型

若干观测结果表明,黄海内潮波具有较显著的内Kelvin波性质,并且在南黄海其非线性演变过程是产生内孤立波的重要机理之一。本文给出连续分层海洋的内Kelvin波模型,并且对南黄海进行了初步的数值模拟研究。数值模拟结果表明,内潮引起的质点水平速度u的大的剪切值(绝对值)发生在30 m深度以上的水层,而在30 m深度以下的水层中剪切值很小。     

完全非线性波浪与二维固定结构物作用的IGN-BEM耦合分析模型

为高效准确地对完全非线性波浪与二维固定结构物的相互作用进行模拟分析,建立了二维完全非线性时域耦合模型。耦合模型将计算域划分为靠近结构物的内域和远离结构物的外域,每个区域均采用满足完全非线性自由水面边界条件的波浪模型进行求解。在内域使用Laplace方程描述流体运动并采用高阶边界元法（BEM）对其进行求解;而在没有结构物的外域,波浪运动的控制方程为Irrotational Green-Naghdi（IGN）方程并采用有限元法（FEM）对其进行求解。内域和外域通过一段重叠区域进行耦合,从而实现模型间变量的传递。首先利用耦合模型分别对规则波的传播、直墙前立波的生成以及相关物理模型试验进行模拟,数值结果与精确解和试验结果的良好吻合验证了耦合模型耦合方式的合理性以及处理非线性问题的准确性;然后使用耦合模型模拟分析了波浪与固定结构物间的相互作用,并将结果与线性解析解以及完全非线性BEM模型的结果进行了对比分析,进一步证明了耦合模型的正确性与高效性。     

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。     

跃层厚度对内孤立波能量耗散的影响

内孤立波破碎混合是陆架地形上海洋混合过程重要的能量汇,为了探究内孤立波在连续跃层密度分层中能量变化及能量耗散规律,本文使用OpenFOAM建立数值水槽,基于双曲正切曲线设置连续跃层密度分层开展了一系列工况的模拟,针对跃层厚度对内孤立波能量传递及其耗散进行了详细分析。结果表明跃层厚度与跃层处流速剪切存在着负相关关系,随着跃层厚度的增加能量耗散先减小后增大。跃层厚度较小时,跃层处流速剪切强,理查德森数小,易产生开尔文-亥姆霍兹(Kelvin–Helmholtz)不稳定现象;随着跃层厚度的增大,流速剪切减小,理查德森数增大,开尔文-亥姆霍兹不稳定消失;跃层厚度达到临界值后,层结稳定性减小,理查德森数减小,流场的翻转混合过程加强,能量耗散也明显增强。     

双色波引起的碎波拍的数值研究

碎波拍是指在近岸水域沿海岸线正向传播、周期为0.5~5.0 min的波浪.碎波拍是近岸低频波浪的一种,最早由Munk[1]和Tucker[2]独立观测到并命名.     

近岸波浪破碎区不规则波浪的数值模拟

基于近岸不规则波浪传播的抛物型缓坡方程和两类波浪破碎能量损耗因子,对近岸波浪破碎区不规则波浪的波高分布进行了数值模拟,并结合实验结果对数值模拟结果进行了验证分析,结果表明采用两类波浪破碎能量损耗因子所模拟的破碎区波高与实测值均吻合良好,波浪破碎能量损耗因子及波浪破碎指标对破碎区波浪波高分布影响较明显。     

椭圆余弦内波及其对墩柱作用数值模拟

基于FLUENT软件建立数值波浪水槽,研究椭圆余弦内波及其对墩柱的作用。椭圆余弦内波的生成采用推板造波方法,自由面捕获采用VOF方法。首先,模拟了椭圆余弦内波的生成,比较了不同周期和波高下椭圆余弦内波的波浪形态。然后,在特定的周期和波高条件下模拟了三维椭圆余弦内波对单个墩柱及多个敦柱的作用;分析了各墩柱上受到的惯性力和粘性力的变化趋势,并对不同墩柱下的总波浪力进行了对比;得出了墩柱上受到的波浪力也呈现周期性变化并且在波浪前进方向上后墩柱的受力小于靠前墩柱的结论。     

Numerical Simulation of Wave Height and Wave Set-Up in Nearshore Regions

Based on the time dependent mild slope equation including the effect of wave energy dissipation, an expression for the energy dissipation factor is derived in conjunction with the wave energy balance equation, and then a practical method for the simulation of wave height and wave set-up in nearshore regions is presented. The variation of the complex wave amplitude is numerically simulated by use of the parabolic mild slope equation including the effect of wave energy dissipation due to wave breaking. The components of wave radiation stress are calculated subsequently by new expressions for them according to the obtained complex wave amplitude, and then the depth-averaged equation is applied to the calculation of wave set-up due to wave breaking. Numerical results are in good agreement with experimental data, showing that the expression for the energy dissipation factor is reasonable and that the new method is effective for the simulation of wave set-up due to wave breaking in nearshore regions.     

内孤立波与海脊相互作用的模拟研究

A nonhydrostatic numerical model was developed and numerical experiments performed on the interaction of an internal solitary wave(ISW) with a sill, for a two-layer fluid with a diffusive interface. Based on the blocking parameter(Br), the flow was classified into three cases:(1) when bottom topography has little influence on the propagation and spatial structure of the ISW(Br0.5),(2) where the ISW is distorted significantly by the blocking effect of the topography(though no wave breaking occurs,(0.5Br0.7), and(3) where the ISW is broken as it encounters and passes over the bottom topography(0.7Br). The numerical results obtained here are consistent with those obtained in laboratory experiments. The breaking process of the incident ISW when Br≈0.7 was completely reproduced. Dissipation rate was linearly related to the blocking parameter when Br0.7, and the maximum dissipation rate could reach about 34% as Br raised to about 1.0. After that, instead of breaking, more reflection happened. Similarly, breaking induced mixing was also most effective during Br around 1.0, and can be up to 0.16.     

侧边界对内长波传播影响的数值模拟

利用修正的非线性水平二维Lynett-Liu内长波数值模式,模拟了小振幅孤立子内波进出水道口的传播过程,及其穿过狭窄水道的衍射过程。通过分析孤立子内波垂向波形和水平二维纹理图像随水道口的形状及开阔水域宽度的变化．研究了侧边界对孤立子内波传播所产生的影响,并与卫星遥感图片进行了对比。     

规则波在浅水中运动及破碎的数值计算

利用一维Boussinesq方程描述了在浅水中的波浪运动以及破碎情况。在方程中引入了表面翻滚的概念，认为翻滚的水体是以波速运动的，翻滚的作用表现在水平速度的垂直分布上，产生了附加迁移动量项。通过对Airy波在浅水中运动以及破碎情况的研究，得出的一些结论与Schaeffer和合田的成果吻合良好。     

内孤立波过陆架陆坡地形的数值模拟研究

内波是海洋中普遍存在的波动形式。内孤立波是典型的非线性内波,多发于陆架边缘海,如南海等海域,对陆架海域有重要影响。本文针对内孤立波在陆架地形上的传播问题,先基于弱非线性与全非线性数值模型,模拟了不同振幅、地形高度条件下内孤立波的演化的过程,探讨了动力系数对内孤立波演化过程的影响,对比了两模型的模拟结果在内孤立波演化过程、能量分配以及能量耗散的差异,后分析了南海的动力系数分布特征。结果表明,在内孤立波不发生破碎的情况下,弱非线性模型与全非线性模拟结果相近。当发生破碎过程时,弱非线性模型可准确模拟头波,但无法通过强非线性的破碎过程耗散能量,只能以裂变的方式辐射能量。在弱非线性模型中,随地形高度增加,频散系数减小到零,平方非线性系数由负转正,立方非线性系数绝对值增大一个量级,并主导陆架地形上内孤立波的演化过程。通过对比南海夏季与冬季非线性内波动力系数空间分布,发现内孤立波在传播过程由于夏季平方非线性效应、立方非线性效应与频散效应较强的影响,其在夏季更易发生陡化与裂变,波列发生频率高。     

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。