海流流速计算的研究

由于大范围同步连续观测海流流速很困难,这才产生建立一定的理论及方法认真计算海流流速的要求.可是,过去沿用至今的动力计算[1],方法虽简便,但只能计算因密度分布所生的梯度流(或地转流),且存在着既不考虑风力,又不顾及湍流摩擦力,再加无运动面难以确定,即令设法作出浅海订正,其结果又往往与事实不符等根本性缺陷;而如籍Ekman漂流理论计算海流,又仅能计算因风所生的漂流,且还存在着既不考虑海水密度分布,又视海面无倾斜,再加湍流动力粘滞系量难以确定等与实际相差较远的理论依据.近代兴起的一些海流数值计算,又往往都局限于全流或深度平均流速的计算.因此,建立一种既考虑到海洋内部海水分布,又考虑到海面风力外加海面大气压力作用,顾及到海洋中湍流摩擦力,又体现流速随深度变化,而更重要的是应用起来简易的计算海流流速的理论及方法,便成为很需要解决的问题了.     

仅考虑铅直湍流的海流流速计算及予报的研究

本文在仅考虑铅直湍流的情况下,提出一种计算海流流速及予报海流流速的理论及方法。是在海流基本上是由海洋内部密度分布及海面风力和气压作用下形成的认识下,依据一定的事实,先行确定水平压强梯度力及铅直湍流动力粘滞系量,而后计算定常恒速海流及予报海流流速的。在建立海流流速予报方程解时,除了要求得流速随时间变化的解,尚需求得海水密度随时间变化的解。在海水密度随时间的变化予知的情况下,即可依据予知的风速及降水、蒸发差等随时间的变化,予报海流。曾对东中国海黑潮流系进行了定常恒速水平流速的计算。     

一种计算海流速度的大气-海洋三层模式

为了在考虑到(1)产生海流的大气作用;(2)湍流粘滞系量值是计算的而不是假设的;(3)海洋具有实际可变的而非常量的深度等情况下,较易地计算出特别是铅直坐标函数的海流速度,本文提出一种大气-海洋三层模式。近似中性层结状态的大气被考虑是两个层的组合,第一层是紧贴海面的湍流边界层,第二层是位于第一层之上的Ekman层。仅考虑铅直湍流的海洋,被看成是从海面到海底的一整层。海面风应力分布和海洋中海水密     

基于多项式逼近的固定式平台响应谱理论研究

依据波浪力成因和作用效果的不同,将波浪力分为两部分(Morisson 波浪力和 Inundation波浪力)讨论.对于两种波浪力中的非线性拖曳力项,采用高次多项式逼近,结合高斯型统计量高阶矩计算原理、相关函数、变换法和单输入多输出系统的互谱关系,预测海流海浪联合作用下的海洋平台响应谱的理论形式,求得总波浪力谱以及平台响应谱.在Inundation模态力的相关函数推导过程中,考虑海流影响时,惯性力项与拖曳力项的相关函数总和为0,这一结果与不考虑海流影响时的结果相同.     

有限元方法在台湾以东海域黑潮流速计算中的应用

1956-1960年间由Turner[13],Clough[16]等引入有限元概念、方法以来,首先在结构分析领域内取得极大进展.与此同时,它也应用于固体力学的许多领域[2,4,7].在七十年代,有限元方法较广泛地应用于流体力学的许多领域[3,11,12].最近几年来,有限元方法也应用于物理海洋学中的一些问题中,例如湖泊与海洋环流问题[14,15,19],潮汐与风暴潮问题[17]等.本文从流体力学原理出发,应用有限元理论建立了黑潮的三维流场有限元方程组.采用了海流理论中常见的物理模式[1,5,18],考虑了压力梯度、柯氏力、重力、水平与垂直方向上的湍流摩擦效应,而不考虑惯性力的影响.本文对所应用的有限元几何形状——三角棱柱进行了插值误差分析,证明了三角形棱面不能出现较大的钝角,也证明了完备性的问题.并将动力计算和有限元二种方法计算的流速进行了比较.     

海流计的发展现状及其应用

为解决海流计在实际应用中存在的部分专业术语不规范、译名不统一和归类有差异等问题,促进海洋观测仪器的发展和应用,文章参照相关标准规范、权威专著和专业文献等资料,根据海流计的工作原理和使用性质,结合业界实践经验,系统梳理各类型海流计的命名、分类、适用范围、特点和发展方向等内容。研究结果表明：海流计可定义为“一种用于测量海水流速和流向的仪器”,根据工作原理主要分为机械式海流计、电磁海流计、声学海流计和其他海流计4个大类,不同类型的海流计各具特性;其中,机械式海流计主要包括厄克曼海流计、印刷海流计、照相型海流计、磁录式海流计、遥测海流计和直读式海流计,电磁海流计主要包括地磁场电磁海流计和人造磁场电磁海流计,声学海流计主要包括声学多普勒流速剖面仪、声学多普勒海流单点测量仪、声学多普勒流速仪和时差式声学海流计,其他海流计主要包括激光多普勒测速仪、电阻式海流计、应变片海流计、倾斜式海流计、粒子图像测速仪和海洋湍流剖面仪。     

海洋测量水下拖曳设备的位置计算方法研究

针对海洋测量水下拖曳设备位置确定问题,综合考虑拖缆受力、海流影响以及水下拖体的运动性质,建立了水下拖曳设备的位置计算模型,并仿真计算分析了测量船在不同航行状态下拖曳设备位置确定的规律,探讨了不同海流效应对拖曳设备位置确定的影响。仿真计算结果表明,在海洋动态环境作用下,拖缆各方向的偏移明显呈曲线形状,非简单几何运算所确定。测船各方向的运动均可对水下拖体的位置在相应方向产生一定影响,而水下拖体位置的变化量小于测船拖点位置的变化量。海流对水下拖曳设备定位可造成数米的偏差,需进行相应改正。建议可考虑采取船载式ADCP实时测流辅助水下拖曳设备定位的工作模式。     

影响北极冰下海洋Ekman漂流垂直结构与深度因素的研究

Ekman漂流是上层海洋普遍存在的一种运动形式。本文提出了用实测温盐数据计算冰下Ekman流速的计算方法,与2010年北极考察期间同步获取的海流剖面数据进行比较,获得了满意的结果。基于这个结果,可以通过比较容易获得的温盐数据,计算Ekman漂流垂直结构。海水层化的存在导致在跃层处湍流黏性系数减小,强烈抑制了流速的向下传播,致使Ekman漂流在跃层处完全消失。结果表明,冬季上层海洋漂流会发生在较大的深度上,而夏季海冰拖曳引起的漂流只能达到20～30m的深度。Ekman漂流的深度只与跃层的深度有关,与海冰的漂移速度无关。漂流层变浅意味着海冰拖曳做功产生的能量不能进入海洋深处,而是在很浅的表层水体内积聚,有利于加剧海冰的底部融化。计算湍流黏性系数通常需要密度剖面和流速剖面的观测结果,在只有密度剖面的情况下,可以采用本文的方法计算Ekman漂流,获得上层海洋的湍流黏性系数剖面。     

波浪周期对海洋建筑物的影响

在影响海洋结构物设计的海洋环境动力因素如风、海浪、海流和海冰等中,通常海浪是最重要的。在考虑海浪对建筑物作用时,人们往往强调波高而对周期重视不够。本文通过模拟实验或理论计算进一步显示了波高和周期对于海洋建筑物设计具有同等重要性,只不过它们的表现形式不同而已。     

海流和风暴潮数值模拟研究喜获成果

掌握海流和风暴潮的规律,对于海洋开发、港工建设、航运、军事和防御海洋气象灾害,都具有重大的经济和社会效益.由上海计算技术研究所副研究员徐学荣研究的“海流和风暴潮数值模拟研究及软件”课题(海流部分工作曾和中科院大气所副研究员季仲贞协作),历时五年多,现巳在沪通过技术鉴定。这项成果的主要贡献是:采用数值模拟方法,通过典型实例,成功地模拟了南海海流和风暴潮,科学计算出诸因素与机制是如何互相影响而发生作用的,从而揭示出海流和风暴潮的若干运动规律。     

海流和风暴潮数值模拟研究喜获成果

掌握海流和风暴潮的规律,对于海洋开发、港工建设、航运、军事和防御海洋气象灾害,都具有重大的经济和社会效益。由上海计算技术研究所副研究员徐学荣研究的“海流和风暴潮数值模拟研究及其软件”课题（海流部分工作曾和中科院大气所副研究员季伸贞协作）,历时五年多,现已在沪通过技术鉴定。 这项成果的主要贡献是: 采用数值模拟方法,通过典型实例,成功地模拟了南海海流和风暴潮,科学计算出诸因素与机制是如何互相影响而发生作用的,从而揭示出海流和风暴潮的若干运动规律。 取得的重要成果有:     

溢油应急预报业务系统研制

本项目采用"油粒子"模型,通过改进模型中垂向运动模拟方法,考虑海流、海浪、浮力以及湍流对溢油的垂向分布作用,将溢油数值预报模型同三维海流预报系统、海面风场预报系统相衔接,实现了三维溢油漂移扩散运动     

基于FP07的自容式湍流仪的设计与实验

海洋湍流混合在海洋能量和水体物质交换过程中发挥着重要作用,目前海洋湍流的刻画主要通过湍流现场观测来实现,要想对海洋湍流进行更加深入的研究,有赖于更高分辨率的快速测量仪器;但是目前我国在湍流观测设备方面仅仅处于起步阶段;且国内湍流仪所用传感器均以剪切传感器为主,剪切传感器存在仪器震动影响观测精度的问题。人们在对湍流的产生及变化的机理深入了解的过程中,提出了一种基于温度快速变化的湍流观测方法,针对此方法,给出了一种基于FP07的自容式定点海洋湍流仪的设计方法,并针对潜标系统的观测需要完成了深海观测、大容量存储的原理样机的研制,并将样机进行海试实验,验证了该湍流仪测量湍流耗散率的可行性和正确性。     

基于LIC的海流动态模拟与可视化

线积分卷积(LIC)方法是一种针对矢量场数据的可视化技术,本文主要研究了LIC方法应用于海洋流场的可视化质量改进问题。主要包括以下几点改进:根据海流运动方向改变稀疏背景噪声的指向以使流线变得更加细长明亮;针对稀疏噪声中海流变化剧烈的区域流线会出现分叉的问题,采用忽略稀疏背景噪声流线追踪时非主流线部分的纹理点的积分计算方法来解决此问题,同时可以省去不必要纹理点的积分计算的开支,加快显示速度;采用赋予海流随机的初始相位的方法来解决稀疏噪声循环动画突兀的问题;通过流线的运动速度快慢或者流线的颜色来表示海流速度大小;通过对海流数据进行插值并改善边界流线追踪条件的方法可形成完整细致的全球海流图像。实验结果表明,该方法可以生成纹理对比强烈、细节清晰、动画连贯的高质量海流运动图像,具有良好的可视化效果。     

基于M-BEMT2.0研究串列海流发电机的水动力性能

海流发电机(MCT)是开发海洋可再生能源的重要装置。在预测海流发电机水动力性能方面,修正叶素动量理论(M-BEMT)方法被验证是一种简单有效的方法。为了进一步提高M-BEMT方法的适用性和准确性,基于M-BEMT方法开发M-BEMT2.0方法包括时均法(TA-BEMT2.0)和瞬态积分法(TI-BEMT2.0),新方法考虑了来流的轴向非均匀性和周向非均匀性。首先使用文献的试验结果验证均匀来流时新方法的适用性。然后使用计算流体力学(CFD)计算结果验证非均匀来流时新方法的适用性。最后结合新方法和CFD方法深入研究两个串列排布海流发电机(MCTA)的水动力性能。基于M-BEMT2.0研究发现,均匀来流时计算结果与试验结果基本吻合,非均匀来流时新方法的计算结果优于M-BEMT的计算结果。对于MCTA,当第一个MCT的叶尖速度比越大,第二个MCT功率比和推力比恢复到90%的距离越短。     

台风条件下朗缪尔环流对上层海洋混合的影响研究进展

回顾了近10年来台风条件下朗缪尔环流影响上层海洋混合的研究进展,朗缪尔致湍流对海洋上混合层的形成和加深的重要作用已形成了基本共识,但对于朗缪尔致湍流对海洋上混合层的混合作用机制和程度仍然存在诸多不确定性。观测表明台风条件下台风眼附近的混合层平均湍流动能受到了较强的抑制,可能与台风不同位置朗缪尔致湍流的特征变异有关;台风条件下,现有的朗缪尔致湍流参数化方案在上层混合过程模拟中还有显著误差。在今后研究中,通过改进斯托克斯漂流剖面的计算方法,优化表征台风条件下海面状况的朗缪尔致湍流参数化计算方案,是进一步揭示台风条件下朗缪尔环流对海洋上层混合的影响机理的必要途径。     

深海声学释放器释放过程的动力学分析

深海释放器是海洋观测仪器、海洋工程中关键设备。研究考虑海流、释放器部件碰撞等因素的深海释放器释放过程的动力学情况,采用多体动力方法建立某深海释放机构的动力学模型,模拟释放机构的释放过程中各构件的运动情况和运动轨迹,计算释放机构在释放过程各组成构件的运动参数,该方法可以用于模拟深海释放器释放过程状况,分析释放器失效的原因和指导释放机构的设计。     

海洋湍流模式应用研究

海洋湍流模型研究自二十世纪 70年代中发展至今 ,在海洋动力学研究中 ,特别是关于混合 /层化研究中广泛应用 ,近年来由于认识到湍流对海洋生物过程的重要影响 ,对海洋湍流的客观描述更加关注。文中详细介绍了几个主要海洋动力学模型中的湍流封闭模式 ,如 HAMSOM中的Prandtl混合长模型、Johns模式中的 k-方程模型、POM中的 k- kl模型、水动力学中常用的 k-ε模型等等 ,介绍了海洋湍流模型的应用。对于湍流模型的使用提出针对具体问题选择的原则 ,复杂的并非最优的。     

水平轴海流能发电机叶片设计与性能分析

全球海洋蕴藏着丰富的海流能,合理利用海流能可以有效缓解能源危机。以额定工况下获能系数达到最大值为目标,利用叶素-动量理论设计了150 kW水平轴海流能发电机的叶片。使用叶素-动量理论结合普朗特修正和葛劳渥修正的方法,预测了海流机在不同尖速比以及不同桨距角下的水动力性能,分析了攻角和载荷沿着叶片径向的分布规律。使用CFD方法计算了海流机在不同尖速比下的水动力性能,并与理论方法的计算结果进行了比较。理论方法和CFD方法的结果均表明,所设计的海流机最大获能系数位于设计尖速比处,证明基于叶素-动量理论的水平轴海流机叶片设计方法是有效的。     

深海平台系缆形状和张力分析

考虑海底地形的变化、系缆的拉伸形变及海流力等因素,研究了深海平台系缆形状和张力分析方法采用集中质量法,得到系缆方程组,采用牛顿法求解该非线性系缆方程组,建立系缆形状和张力的计算方法。计算了平坦海底和海底地形凹凸变化时水深1 018 m情况下的系缆形状、系泊张力和浮体平衡位置。计算结果表明,海底地形对于深海系泊系统张力影响较大,而计算系缆形状和张力、系泊浮体的运动时,需要考虑海底地形的影响。