Profile Evolution and Energy Dissipation for Internal Soliton Transmitting over Different Submarine Ridges

1 .IntroductionWhile surface solitary waves arefoundin many physical phenomena (Chouand Shih,1996 ;Chouand Quyang,1999 ;Chouet al .,2003 ; Chenet al .,2004 ; Wang,2004 ;Tsenget al .,2005) ,internal solitary waves (ISWs) have been observed since the beginning of the 20th century.In fact ,some internal waves have alarge enoughamplitudeto cause consequence onthe surface .Hence obser-vation of the oceansurface may helpto detect the activities of internal waves . We require observationsthrough…     

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;…     

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。     

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。     

RANS Modeling of Solitary Wave Propagation over A Submerged Rectangular Breakwater

In this paper a series of numerical simulations are performed to investigate the vortex shedding mechanism for a solitary wave propagating over a submerged breakwater by use of Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) model combined with a k-ε model. Flows of different Reynolds numbers up to Re=1.4×105 corresponding to varying incident wave heights are considered in which the characteristic fluid velocity is represented by the maximum horizontal velocity above the submerged breakwater. For the verification of the accuracy of the numerical model, the incident waves and the velocity field in the vicinity of the breakwater are compared with experimental data. The result shows that the model is capable of describing vortex shedding for a solitary wave propagating over a rectangular submerged breakwater. Key features of vortex generation, evolution and dissipation are investigated. It is found that the vortex shedding and their evolution due to separated boundary layer over the breakwater are strongly related to the Reynolds number. A considerable number of vortices and complicated vortex pattern are observed as the Reynolds number increases.     

RANS Modeling of Solitary Wave Propagation over A Submerged Rectangular Breakwater

In this paper a series of numerical simulations are performed to investigate the vortex shedding mechanism for a solitary wave propagating over a submerged breakwater by use of Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) model combined with a k-ε model. Flows of different Reynolds numbers up to Re=1.4×105 corresponding to varying incident wave heights are considered in which the characteristic fluid velocity is represented by the maximum horizontal velocity above the submerged breakwater. For the verification of...     

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。     

南海北部反气旋涡对内孤立波传播的影响研究

海洋内波具有振幅大、流速强和周期短等特点,可对海上施工和水下作业安全造成严重威胁。南海北部陆坡海域是内孤立波和中尺度涡频发的海域之一,研究中尺度涡对内孤立波传播的影响对深入了解南海北部内孤立波在反气旋涡过境时的传播特征、提高该海域内波预报准确性具有重要意义。基于此,本文利用布放于南海北部东沙群岛西侧陆坡海域的潜标观测数据,针对2017年3月一个反气旋中尺度涡经过潜标站位的过程,探讨了中尺度涡对内孤立波传播的影响。结果表明：①受反气旋涡影响,内孤立波的平均振幅减小28.6%,其主要原因是中尺度涡导致等温线下压,进而对内孤立波的振幅产生抑制作用,其影响过程可用趋浅温跃层理论描述。②反气旋涡影响期间,内孤立波的平均波速由1.26 m/s增大到1.47 m/s,增幅约16.7%,反映了反气旋涡对内孤立波波速的强化作用,这种强化作用主要是由中尺度涡边缘流场引起背景流场变化所致,而中尺度涡引起的温盐场变化对内孤立波波速的影响相对较小。     

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。     

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.     

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。     

陡坡上孤立波爬高的数值模拟

波浪爬高是海岸工程中重要的水动力学问题之一,其数值模拟方法通常是通过离散Navier-Stokes方程或Boussinesq方程实现的,其中基于光滑粒子流体动力学方法是近年发展起来的。本文应用该方法模拟相同水深下,不同波高的孤立波在45(°)陡坡上的爬高,模拟结果与理论计算结果及已有物理模型试验结果进行了对比,并模拟出孤立波激散破碎过程及粒子分布和速度场的变化过程。结果表明,对密度近似方程进行重新初始化保持了流场内的质量守恒,同时整个计算域内的压力分布更加规则,说明光滑粒子流体动力学法在波浪爬高计算中的有效性。     

南海北部陆坡海区春末第一模态内孤立波观测及特征分析

为获取南海北部陆坡海区第一模态内孤立波的动力结构及时间变化特征,本文利用该海区1套内孤立波浮标观测数据,对陆坡海区的内孤立波现场观测数据分析,识别判定了2021年5月5日至6月3日共30 d的179次第1模态内孤立波过程,并进行了内孤立波的特征分析。南海北部陆坡海区第1模态内孤立波剖面流场为双层结构,上层主要为西偏北向流动,下层流向与之相背,流速转向发生在100～150 m深度处。内孤立波期间,最大流速多发生于上层,流速为60～120 cm/s,底层流增强,上层流与下层流流向相反。受内潮影响,研究区域内孤立波存在半日和全日2个周期,主要以20～30 min间隔的波列形式向西偏北方向传播。本文关于南海北部陆坡海区第一模态内孤立波的分析研究有助于提升对该海区内孤立波时空变化特征的认识,为工程水下施工提供参考和依据。     

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。     

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%。     

A Numerical Investigation of the Reduction of Solitary Wave Runup by A Row of Vertical Slotted Piles

To improve the current understanding of the reduction of tsunami-like solitary wave runup by the pile breakwater on a sloping beach, we developed a 3D numerical wave tank based on the CFD tool OpenFOAM in this study. The Navier Stokes equations were applied to solve the two-phase incompressible flow, combined with an LES model to solve the turbulence and a VOF method to capture the free surface. The adopted model was firstly validated with existing empirical formulas for solitary wave runup on the slope without the pile structure. It is then validated using our new laboratory observations of the free surface elevation, the velocity and the pressure around a row of vertical slotted piles subjected to solitary waves, as well as the wave runup on the slope behind the piles. Subsequently, a set of numerical simulations were implemented to analyze the wave reflection, the wave transmission, and the shoreline runup with various offshore wave heights, offshore water depths, adjacent pile spaces and beach slopes. Finally, an improved empirical equation accounting for the maximum wave runup on the slope was proposed by taking the presence of the pile breakwater into consideration.     

缓坡地形上内孤立波的破碎及能量分析

在大型重力式分层流水槽中对内孤立波沿缓坡地形的演化特征进行了实验研究,利用分层染色标识方法和多点组合探头阵列技术对其传播特性做了定性分析和定量测量。实验表明:下凹型内孤立波沿缓坡地形传播过程中的破碎先从波背部发生,继而演化出上凸型内孤立波;内孤立波破碎不仅与入射波波幅相关,而且受到地形坡度的强烈影响;入射波幅参数??0.4是内孤立波不稳定及破碎的实验判据,内孤立波能量损失出现跃升是其发生破碎的重要特征。研究进一步获得了内孤立波沿缓坡地形的三维演化结构、破碎发生条件和能量变化特性,对于复杂海洋环境中非线性内波传播特性认识及其动力学建模具有重要的科学意义。     

Accuracy Evaluation of A Diagnostic Test by Detecting Outliers and Influential Observations

Logit regression analysis is widely applied in scientific studies and laboratory experiments, where skewed observations on a data set are often encountered. A number of problems with this method, for example, oudiers and influential observations, can cause overdispersion when a model is fitted. In this study a systematic statistical approach, including the plotting of several indices is used to diagnose the lack-of-fit of a logistic regression model. The outliers and influential observations on data from laboratory experiments are then detected. Specifically we take account of the interaction of an internal sohtary wave （ISW） with an obstacle, i.e., an underwater ridge, and also analyze the effects of the ridge height, the lower layer water depth, and the potential energy on the amplitude-based transmission rate of the ISW. As concluded, the goodness-of-fit of the revised logit regression model is better than that of the model without this approach.     

南海北部陆坡海域第二模态内孤立波统计特征

根据南海北部陆坡海域潜标观测数据,对该海域第二模态内孤立波统计特征进行分析。观测期间共发现72个第二模态内孤立波,包含101 个第二模态内孤立波孤立子。该海域第二模态内孤立波以凸型为主,且最大振幅多为下凹振幅,占79.2%。KdV 方程波速计算结果表明,波速可用三角函数描述,整体表现为夏季大、冬季小,且第二模态内孤立波流速呈明显的三层结构。最大流速深度及人工判别得到的上下层转向深度的统计结果表明:上层内波流流速转向平均深度约为97.7m,中层内波流最大流速深度约为134.6m,下层内波流转向平均深度约为204.2m,内波流最大流速多发生在中层,流向主要为西北向,流速主要分布于0.2~0.8 m·s-1 区间范围内,占82.2%;上层流向主要为东南向,流速主要分布于0~0.6m·s-1区间范围内,占98.0%;中层流向主要为西北向,流 速主要分布于0.2~0.8m·s-1区间范围内,占93.1%;下层流向主要为东南向,流速主要分布于0~0.4m·s-1区间范围内,占94.1%。本文系统性地给出了南海北部陆坡海域第二模态内孤立波统计特征,可为相关研究、水下航行及工程应用提供重要的资料和参考。     

新型三维内波及分层流水槽系统

本文提供了作者研制的三维内波及分层流水槽系统的背景技术资料。经源致三维内波的实验证实 ,利用该水槽系统中的双缸制取分层水系统可快速制取所需的分层水 ,不必利用分子扩散而 1次得到预先设置的密度剖面。同时 ,还介绍了利用该水槽系统进行的 1个典型的源致内波的内波增阻实验。从所获得的增阻实验结果得知 ,对于一给定的分层、拖曳速度和水下回转体 ,存在唯一 1个内Froude数使得强迫源受到最大的内波增阻。大量的实验证实 :该水槽系统是研究三维自由和强迫内波的 1个基本实验系统。