层结流体中的非线性惯性重力内波

根据地球流体力学基本方程组,在密度垂直层结的情况下,引进行波坐标,研究非线性定形波在相平面上的几何拓扑结构。严格论证了不存在定形孤立波,并通过Ｈａｍｉｌｔｏｎ函数及其角作用变把行波系统化成最简形式,由此而得到非线性惯性重力内波的解析解。     

太平洋不同海水层结条件下的内波波致声场起伏研究

基于Argo资料对太平洋海域海水层结进行分类区划,利用内波动力学方法对内波致声起伏进行数值求解,对不同层结状况下的内波致声起伏进行模拟试验。结果表明:垂直方向海水层结的不均匀和跃层的存在,使海洋内波斜压模态受到了歪曲变形。层结峰的个数和深度与声速起伏存在很好的对应关系。有内波的声传播特征总体上与没有内波时的相似。不同层结情况下,声场对内波扰动的响应不一致。     

浅海内波及声场起伏数值研究

为探讨声学方法监测(反演)海洋内波的可行性,分析ASIAEX2001亚洲海海洋声学实验定点温度链实验数据,结果表明：实验期间存在M2内潮波、周期10～30min非线性内波现象,并观测到双温跃层同相传播“双非线性内波”。分别对垂直和平行于内波传播方向传播声场进行了数值计算分析。垂直于内波传播方向的声传播计算结果表明：简正波波数时间演化函数的频谱与内波引起的声速剖面变化频谱基本一致;简正波系数(模值)时间演化函数的频谱与内波引起的声源位置处的声速演化函数的频谱基本一致;高阶简正波波数差随时间的变化要比低阶简正波波数差小约1个量级。平行于内波传播方向的声传播计算结果表明：内潮波主要导致相邻简正波间耦合;非线性内波包能够导致跨号甚至垮多号简正波间耦合。讨论了2种海洋内波声学监测方法。     

背景流与地形对海洋内波影响初探

采用Boussinesq近似,研制了准三维、非线性、非静力的斜压数值模式。利用该模式做了背景流与海底地形对高频海洋内波影响的数值试验。本文得到的主要结论有:各数值试验初始1小时内,有适应过程,并最终形成垂直方向为单圈环流的海洋内波波包;以后进入海洋内波的演变过程,并在非线性作用下形成椭圆余弦波波包,并向孤立内波演变。当无背景流时,地形会激发出两支传播方向相反的海洋内波波包,水深大处波包传播较慢。当存在定常背景流时,在其与地形共同作用下,在地形处会激发出较强的内波波包,若地形足够陡峭,则内波波包截陷于该陡峭处,造成该处强烈的垂直运动。背景流随时间的变化会对在台阶地形跃阶处的内波波包产生不同的影响。     

层结流体中的非线性内波

十多年来,用摄动法研究非线性波已经取得了相当大的成就.在流体力学方面研究较多的是浅水表面波,在大气科学方面研究较多的是Rossby波.对层结流体中的内波,则研究较少.大家知道,海洋和大气都是密度随深度或高度变化的层结(分层)流体.许多重要的自然现象,如台风、飑线、积云、湍流、海洋中的温跃层等,都和重力内波有关.随着卫星技术的发展,非线性重力内波已经在大气和海洋中观测到[1,2].从理论上研究非线性重力内波较早的是Benney(1966)[3]和Benjamin(1966[4],1967[5]),最近Maslowe和Redekopp(1980)[6]对层结剪切流动的非线性内波作了系统详细的研究.     

两层流体中内波作用下Spar平台运动响应

研究两层流体中Spar平台在内波作用下的运动响应问题。在线性势流理论框架,提出在内波作用下Spar平台运动响应及分段式悬链线系泊张力特性的计算方法。数值分析两层流体内界面位置、入射内波的波长以及系泊索初始预张力对Spar平台运动响应及其系泊索张力特性的影响规律,结果表明内波对Spar平台纵摇运动响应的影响是小的,但对Spar平台纵荡与垂荡运动响应及其系泊索张力的影响是不可忽视的。因此,在Spar平台的设计中,考虑内波的影响是重要的。     

非线性大气Ekman层三维动力学特征

本文采用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ近似，利用地转动量近似（ＧＭＡ）方法，研究了大气Ｅｋｍａｎ层的三维非线性动力学特征，得到了Ｅｋｍａｎ层中三维风速分布的解析解，着重讨论了热成风对Ｅｋｍａｎ层水平风速分布的影响，对传统的求垂直速度的方法进行了改进。     

近海潮成内波波包结构的分析

在文献[1]中,采用波包的观点给出了确定内波包的方向和群速的方法。本文基于1984年7月在L₃站所作的87.5小时的观测资料,研究了内波包的结构。结果表明,沿单一方向传播的潮成内波包是不连续的,存在四个波包,其间间以三个噪声区。四个波包的平均传播方向和速度相应为-90°和50cm/s。波包的频率特征与等温线及上、下层平均流的变差流的频谱特性相一致。通过模式对比证明,我们的二层模式与孤立子理论的二层模式的物理意义完全一致,即两者都反映出,在沿波传播的方向上,潮成内波的切变效应与其波幅成正比,不过我们的模式更为适用。     

基于EMD算法的海洋内波参数反演

利用合成孔径雷达(SAR)图像研究海洋内波具有其他遥感探测及实地海洋测量不可替代的优势,然而从SAR数据中提取内波参数的方法却往往由于人工选取的位置不同使得反演的内波参数产生不同的偏差,为了尽量避免人工操作带来的误差并有效反演内波参数,文中提出了一种SAR图像海洋内波波向与波长参数估计的新方法。通过人工选取内波前导线上的3个位置点,计算机自动地获取内波的位置和内波的波向,提取内波断面,在此基础上利用EMD算法反演内波波长,结合内波区域海水密度剖面数据,进一步反演内波振幅参数。通过对实测SAR图像数据进行处理的结果可知,采用该方法对内波SAR图像进行处理,能很好地定位内波位置并获得传播方向及内波波长参数,结合海水密度剖面,实现了内波振幅参数反演。人工干预选取3个位置点,自动计算内波前导线弯曲弧度并自动计算5个内波剖面,减少了由于人工干预操作不同形成的偏差。     

基于IDL 的海洋内波波面三维可视化的设计与实现

为了直观、全面及动态地展示内波的时空特性,基于交互式数据语言(IDL)的对象图形方法,研究了三维空间内波波面显示技术的实现方法。应用事例表明,该方法能贴切地展现内波的三维分布和逼真地呈现波动特性,有利于揭示内波的水体结构及其变化特征,在海洋内波表达和理解中具有较高的应用价值。     

分层海洋中运动物体生成的内波

该文提供分层海洋中运动物体生成内波的理论、数值和实验研究的背景资料的综述 ,并给出理论研究的 Green函数、正交模态模式和极点回避等方法的评述。数值研究给出数值求解Wronsky行列式的源求解方法及介绍直接差分计算含源内波方程和积分方程的方法。有关源致内波的实验研究 ,作者介绍物体在分层流水槽运动时生成内波的两个典型实验及其主要实验结果。最后评述船舶在海洋表面处生成表面波的研究方法 ,以此指导水下 Rankine卵形体生成内波的实验研究。     

关于分层流体中非波导情况下的波荷载

针对分层流体中非波导情况的荷载问题,就密度剖面为两间断分层和三层模式的情况,分别利用势流理论解析解和分段构造的垂向结构方程解,得出了对应波场的速度和作用于垂直桩柱上的荷载分布.结果表明,非波导情况下的波场具有与波导情况及表面水波情况所不同的特性.由于波频较高,其所形成的荷载比波导情况为大,而且在流场内部存在大的波力和切向速度间断.     

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。     

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。     

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。     

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...     

内波吸引子的数值模拟

密度稳定层结的流体中产生的内波沿着由内波固有频率、流体浮力频率等因素所确定的特征线(或内波射线)传播。边界上的反射不改变内波的频率,从而也不改变反射后的内波特征线与重力方向所成的夹角。侧边界倾斜的封闭容器内,内波能量沿特征线传播的过程中经侧壁、表面和底面的反射可能会集中在一个封闭的轨道上,形成内波吸引子。该现象已经得到水槽试验、线性理论和数值试验的验证。本文利用非线性非静压的环流模式MITgcm,模拟了二维封闭区域中(1,1)-吸引子和(2,1)-吸引子的形成过程,并讨论初值条件对它们的影响。稳定的(1,1)-吸引子其极限环两侧流速出现很强的剪切流。当减小地形的坡度时,由于线性因素的增加,吸引子的结构不变,但吸引子厚度在相空间中的收缩速度加快。对于(2,1)-吸引子,由于轨道所成的两个环中间的节点耗散了部分能量,吸引子的收敛速度较慢。节点处,流体速度始终为0,但存在强烈混合,流体浮力频率呈现振幅较大的周期变化。     

Internal inlet for wave generation and absorption treatment

A new method of implementing, in two-dimensional (2-D) Navier–Stokes equations, a numerical internal wave generation in the finite volume formulation is developed. To our knowledge, the originality of this model is on the specification of an internal inlet velocity defined as a source line for the generation of linear and non-linear waves. The use of a single cell to represent the source line and its transformation to an internal boundary condition proved to be an interesting alternative to the common procedure of adding a mass source term to the continuity equation within a multi-cell rectangular region. Given the reduction of the source domain to a one-dimensional region, this simple new type of source introduced less perturbation than the 2-D source type. This model was successfully implemented in the PHOENICS code (Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series). In addition, the volume of fluid (VOF) fraction was used to describe the free surface displacements. A friction force term was added to the momentum transport equation in the vertical direction, in order to enhance wave damping, within relatively limited number of cells representing the sponge layers at the open boundaries. For monochromatic wave, propagating on constant water depth, numerical and analytical results showed good agreements for free surface profiles and vertical distribution of velocity components. For solitary wave simulation, the wave shape and velocity were preserved; while, small discrepancy in the tailing edge of the free surface profiles was observed. The suitability of this new numerical wave generation model for a two source lines extension was investigated and proven to be innovative. The comparisons between numerical, analytical and experimental results showed that the height of the merging waves was correctly reproduced and that the reflected waves do not interact with the source lines.     

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。     

Experimental Study on Ocean Internal Wave Force on Vertical Cylinders in Different Depths

A series of experimental studies about the force of internal solitary wave and internal periodic wave on vertical cylinders have been carried out in a two-dimensional layered internal wave flume. The internal solitary waves are produced by means of gravitational collapse at the layer thickness ratio of 0.2, and the internal periodic waves are produced with rocker-flap wave maker at the layer thickness ratio of 0.93. The wave parameters are obtained through dyeing photography. The vertical cylinders of the same size are arranged in different depths. The horizontal force on each cylinder is measured and the vertical distribution rules are researched. The internal wave heights are changed to study the impact of wave heights on the force. The results show that the horizontal force of concave type internal solitary wave on vertical cylinder in the upper-layer fluid has the same direction as the wave propagating, while it has an opposite direction in the lower-layer. The horizontal force is not evenly distributed in the lower fluid. And the force at different depths increases along with wave height. Internal solitary wave can produce an impact load on the entire pile. The horizontal force of internal periodic waves on the vertical cylinders is periodically changed at the frequency of waves. The direction of the force is opposite in the upper and lower layers, and the value is close. In the upper layer except the depth close to the interface, the force is evenly distributed; but it tends to decrease with the deeper depth in the lower layer. A periodic shear load can be produced on the entire pile by internal periodic waves, and it may cause fatigue damage to structures.