运动物体生成内波的一类非线性谱方程组

本文给出了由运动物体所生成内波的基本方程组和对应的谱方程组。该方程组的线性部分是一具有体积源 (其下简称为体源 )的 Sturm- Liouville本征值问题 ,而它的非线性部分是由体源与线性波场相互作用的谱表示。在这类强迫方程的源项中包含了 10类内波谱 ,这些谱最终均可利用内波的振幅谱表示。本文给出了线性波场波要素的谱表示和运动物体生成内波的非线性谱方程可解性的讨论。为了检验所得到的谱方程组 ,文中又进行了该谱方程组线性部分的数值计算。     

分层流水槽箱内垂荡板式内波造波模拟研究

提出了一种新型内波造波方法——箱内垂荡板式造波.应用FLUENT软件的有限体积法,采用k-ε两方程湍流模型封闭RANS方程作为求解控制方程,建立二维数值内波水槽.通过模仿物理造波机运动的数值模拟结果比较表明:箱内垂荡板式造波机生成的内波与理论解十分吻合,与双板联动式造波和平板拍击式造波相比,控制简单,对自由水面的扰动小...     

单一海脊地形对海洋内波生成与传播影响的分析

在海洋内波多发区,海底地形变化是影响海洋内波生成、传播和演化的重要因素。本文基于不可压缩原始N-S方程,在非静压近似条件下,通过建立适应于非线性海洋内波研究的非静压海洋动力学模型,并将其应用于正压潮驱动下的内孤立波生成和传播的数值模拟研究。根据模拟结果,研究了一类单海脊地形拓扑结构变化对内孤立波生成和传播的影响;分析并讨论了地形拓扑结构参数变化与生成的内孤立波传播至特定位置的抵达时间、强度等特征参数之间的变化关系;提出内孤立波生成之前在海脊一侧形成"L-下陷"结构的观点,并揭示了与该观点相合的能量"积聚"和"释放"机制。     

内波的生成、传播、遥感观测及其与海洋结构物相互作用研究进展

内波是层结海洋中普遍存在的一种海洋动力学现象,包含内潮、内孤立波、近惯性内波等多种形式,由于其携带能量巨大,分布范围广,发生频率高,对海洋结构物造成严重威胁。对国内外关于内波生成、传播演化、海遥感观测及其与海洋结构物相互作用方面的研究进展进行综述。总结了关于内波的生成机制、浅水和深水区域内波传播演化特征、实际海洋内波特征的遥感观测以及内波与海洋平台及水下潜器相互作用的研究成果,讨论了数值模拟、模型试验、遥感观测等研究手段在海洋内波研究中的应用以及取得的相应研究成果。最后,在探讨海洋内波研究趋势的基础上对未来关于内波生成机制及其海洋学特征观测相关研究需考虑和解决的问题进行了展望。     

水下运动源内波尾迹海面作用量谱扰动分析

应用作用量守恒理论,对二维作用量谱平衡方程的波流作用机理及源(汇)函数进行分析,并对水下运动源内波尾迹在自由面(水面)形成的辐聚和辐射流场引起的作用量谱扰动进行了数值仿真,模拟出不同的配置条件下作用量谱扰动可能存在的"不对称性"。根据海面微波散射及雷达海面成像理论及作用量谱扰动的数值仿真结果,认为内波尾迹雷达散射的不对称可能是源自于作用量谱扰动的"不对称性"。     

基于观测的南海西沙海域深层近惯性振荡特征分析

近惯性内波运动普遍存在于全球大洋中,影响大洋中的质量、动量和能量输送,是大气强迫与海洋混合之间的重要纽带。由于目前海洋深层观测资料的缺乏,对于深层近惯性内波生消演变特征研究甚少。利用2009-2012年的潜标观测资料,采用带通滤波和谱分析方法研究了南海西沙海域深层近惯性内波生成、传播和消亡等演变特征。通过研究发现,南海西沙海域深层存在较强的近惯性振荡,其生成源为台风过境能量输入,绝大部分时段内,近惯性振荡能量在海洋浅层耗散,不向海洋深层传播;仅在少部分时段内,近惯性振荡能量的80%～85%耗散在500 m以浅区域,有大概15%～20%继续向海洋深层传播。     

基于遥感与现场观测数据的南海北部内波传播速度

南海北部是全球海洋中内波最为活跃、生成和演变机制较为复杂的海域,本文利用多源卫星遥感数据(MODIS、GF-1、ENVISAT ASAR、RADARSAT-2)和现场观测数据开展了南海北部内波传播速度的研究。通过匹配捕获同一条内波的相邻两幅遥感图像,由内波的空间位移和时间间隔反演传播速度,并以0.5°×0.5°网格给出了南海北部内波传播速度的分布图。研究结果表明,内波传播速度受背景流场、水体层结和底地形变化等多因素影响,特别是水深。在南海北部由东至西、由南至北方向,内波传播速度逐渐递减。深海区内波传播速度最大,可达3m/s以上;内波在向西大陆架传播过程中,随着水深变浅速度逐渐减慢,传播速度为1—2m/s;大陆架浅海的内波传播速度较小,仅为零点几米每秒。同时,利用Kd V方程反演了内波传播速度理论值,对遥感数据提取的内波传播速度进行了精度验证,结果较为一致。     

海洋内波破碎问题的研究

从理论、观测、数值实验和实验室实验四个方面对国内外近20年来关于海洋内波破碎问题的研究成果进行了分析总结.数值实验和实验室实验表明:中高频内波破碎时,初始的不稳定是二维的,当最终有横向对流卷团形成时,能量开始大量耗散,这时不稳定发展成为三维的;从初始的二维不稳定到对流卷团的产生这一过程,到底是一个剪切不稳定过程,还是一个对流不稳定过程,或者是对流不稳定和剪切不稳定共同存在的一个过程,取决于海水的层化、地形、背景剪切流和内波的自身性质.现场曾观测到内孤立波破碎时存在的剪切不稳定过程,数值研究模拟出了内孤立波破碎时存在的对流不稳定过程.现有的海洋内波破碎判据主要是关于中高频海洋内波的.理论分析侧重于确定线性或弱非线性内波的破碎机制和破碎条件.     

背景流中海洋内波垂向结构的计算和分析

利用了无摩擦、不可压情况下的旋转流体线性方程组,基于数值计算的方法,对背景流中海洋内波各个模态垂向结构进行了分析。结果表明:在无背景流时,海洋内波的垂向结构为简谐波;模态越高,其在垂直方向结构就越复杂,这时其模态属海洋内波的离散谱。在有垂直切变的背景流时,因受背景流的调制,其波形发生变化;此时海洋内波的前几个模态仍与简谐波类似,属海洋内波的离散谱,而此后的模态垂向结构不再光滑连续,出现了间断(奇性),该间断处即为临界层,该具有间断的模态属海洋内波的连续谱,而其积分则为海洋内波波包。正海洋内波在海洋中非常常见,是发生在密度稳定层化海水中的一种波动,其最大振幅出现在海洋内部,是重要的海洋中尺度现象。海洋内波的存在,使得海水运动以及水文要素的分布与变化更加复杂。由于内波发生机制的复杂性以及时空特征的随机性,内波成为海洋学研究中的难点。鉴于海洋内波在海洋学和军事上的意义,目前已经成为研究的活跃领域。对海洋内波垂向结构的研究不但有重要的理论意义,而且有广     

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.     

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。     

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。     

张力腿平台内孤立波作用特性数值模拟

依据三类内孤立波理论KdV、eK dV和MCC的适用性条件,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口边界条件,建立了两层流体中内孤立波对张力腿平台强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且在内孤立波作用下张力腿平台水平力、垂向力及力矩数值模拟结果与实验结果吻合。研究同时表明,张力腿平台内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;水平力的主要成分为波浪压差力和粘性压差力,粘性压差力与波浪压差力相比较小却不可忽略,流体粘性的影响较小;垂向力中粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。     

Evolution of Interface Soliton over Topography

Several ray-type 1D and 2D KdV equations for two-layer stratified ocean with topographic effect are derived in detail in the present study.A simplified version of these equations,ray type 1D KdV equation,is used to calculate numerically the disintegration of initial interface soliton from the deep sea to the continental shelf.At the same time,a laboratory experiment is carried out in a 2D stratified flow and internal wave tank to examine the numerical results.A comparison of the numerical results with the experimental results shows that they are in good agreement.The numerical results also show that the ray-type KdV equation has high accuracy in describing the evolution of initial interface waves in shelf/slope regions.Form these results,it can be concluded that the fission process is a dominant generating mechanism of interface soliton packets on the continental shelf.     

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。     

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.     

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。     

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。     

两层流体中振荡水平圆柱潜体水动力特性

研究了有限深两层流体中水平圆柱潜体的振荡辐射问题。在线性势流理论框架内,建立求解辐射势的多极展开理论,提出附加质量和阻尼系数的计算方法,进行了数值计算分析,并且与均匀流中的情况进行比较。结果表明,在圆柱潜体的某个振荡频率范围内,流体的分层效应对其附加质量和阻尼系数是有重要影响的。同时,对水平圆柱潜体振荡产生的自由面和内界面波动特性进行了数值分析。