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。     

三层流体系统非线性界面内波传播理论的研究

基于波陡很小的假设, 利用摄动法, 讨论了任意深度的二维不可压缩、无黏性、无旋的三层流体系统. 在刚性上边界、平底不可渗透条件下, 给出了界面内波传播的统一理论以及描述其波剖面的近似非线性演化方程(NEEs). 最后讨论了几种特殊情形下的近似NEEs.结果表明文献导出的理论结果为本文的特殊情形.     

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。     

层化流体中半板造波的内波解

为了形象地说明内波的传播模式,研究给出了内波水槽中由半板造波所形成的内波解。结合Ｖａｅｉｓａｅｌａｅ频率Ｎ（ｚ）＝ｃｏｎｓｔ和简化Ｈｏｌｍｂｏｅ两种密度剖面模式讨论了内波场的传播图案。在内波水槽中成功地形成了上述两种密度剖面,相应的实验印证了本文分析的正确性。     

连续层化流体中内波破碎的动力学机制的数值研究

对单频内波在白噪声的干扰下引起的不稳定现象进行了数值研究,分析了不同振幅和不同Pr数(Prandtl number)对静力不稳定、剪切不稳定、对流不稳定出现的时间、地点及持续时间的影响.结果显示,静力不稳定总是比其它2种不稳定先出现,其持续时间也是最长的;振幅越大(Pr＝0.72)时,内波越不稳定,导致3种不稳定出现的时间明显提前;Pr数增大(A＝0.256)时,3种不稳定出现的时间也略有提前.     

海南岛南部海区非线性内波特征分析

2004年6月在南海海南岛南部海域进行了内波观测实验,实验中使用了3条温度链组成链阵,来估计内波在该海区传播的方向和速度。实验中发现了非线性内波群的活动。对潮汐的测量表明,非线性内波群出现在海区的涨潮时刻。计算得到实验海区内波(非线性波群)速度约为0.54m/s。测量有效数据从29日10:00~30日14:00,只发现了一组非线性内波群,说明该海区的非线性内波群不同于别的海区所观测到具有半日潮周期的非线性内波。对非线性内波波形分析可以看出,KdV(Korteweg-de Vries)方程的dn2(x,t)解能比较好的描述得到的内波波形。数据表明非线性内波群在爬坡传播过程中随波包范围的不断扩张,波峰间距离有减小的趋势。对高频线性内波(非线性内波出现前后)的分析表明,高频线性内波中周期为15min~12min的波动成份的能量比较突出,这与非线性内波群中单个波包周期基本吻合,说明非线性内波群在传播扩张过程中其衰落的尾迹分散到了两个非线性波包之间的水体中。     

内波水槽中非均匀密度层结的实现及实验验证

在内波以及其他的层结流体的实验中首先需要制备密度层结的流体,传统的双缸法只能制备密度均匀分层的层结流体。本文对传统的制备均匀层结盐水的双缸法进行改进,推导了制备任意密度剖面的层结盐水方法的理论公式以及实用数值计算方法,通过振荡圆柱实验对此方法的可行性进行了验证。     

拉格朗日描述下三层流体系统中界面内波的三阶渐近解

在流体力学中,描述流体运动有Lagrange方法和Euler方法.Euler方法是通过观测通过空间各固定位置点处流体质点的运动行为来描述流体运动规律,而Lagrange方法是跟踪各个流体质点,通过观测它们在时空运动中所走过的路径来描述流体的运动规律.在数学处理上,Euler方法较Lagrange方法简单,但Lagrange方法可以完全描述流体运动的整个流场的所有特性,而Euler方法却无法描述每个流体质点的运动轨迹.本文,我们研究具有刚性边界的三层流体系统中的界面内波,其中上层流体的密度比下层流体的密度大.通过在界面处引入朗格朗日匹配条件并使用微扰法得到了拉格朗日描述下的界面内波的一阶解、二阶解及三阶解,给出了质量输运速度、波频率、平均水平和质点运动轨迹的解.结果表明对于质量输运速度、波频率、平均水平和质点运动轨迹在界面处会有不连续性,但是我们发现在满足一定的三层流体水深比和密度比条件时这种不连续性将会消失.     

四层成层水域内波的研究

运用小振幅波理论研究了四层成层水域的内波运动，给出了四层成层状态下的各界面波波面位移和各层速度势的解析表达式及各层深度平均流速分布和内波波动频散关系，并与三层成层水域内波的解析结果进行了比较。     

地球流体中的非线性Rossby波

Rossby波是由行星涡度随纬度变化引起的一种波动,它是地球流体中大尺度运动的主要波动之一.     

地球流体中的非线性重力波

从地球流体运动浅水模式的非线性方程出发，采用行波分析法给出了平面自治系统，利用相图理论，讨论了行波解的性质，提出了平面非线性系统不存在孤立波的结论；利用K-B平均法，首次获得有限振幅惯性重力波以Rossby数作为控制参量的非线性频散关系。     

旋转流体中的非线性惯性波

本文从旋转流体中非线性惯性波的基本方程出发,通过微分几何理论论证了非线性惯性波在传播方向上的周期性及不存在孤波解。采用Hamilton函数及其作用──角度变量给出非线性惯性波的解析解。并以简洁形式提出了一种有限振幅的非线性惯性波和用罗斯贝数作为控制参量的非线性频散关系和波速公式。     

应用非线性薛定谔方程模拟深海内波的传播

本文选取东沙岛以东深海区域,应用描述深海内波的非线性薛定谔方程,采用啁啾的思想,研究了频散和非线性效应之间的关系,模拟了深海内波的传播.数值模拟内波演变趋势与MODIS影像拍摄到的内波演变趋势基本符合,从而验证了应用非线性薛定谔方程模拟深海弱非线性内波传播的合理性.     

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。     

南海北部非线性内波的特征研究及生成模拟

海洋内波由于其对海洋资源、海洋军事和工程的重要性而成为海洋学中的前沿课题。文中基于SAR遥感数据,结合KDV方程和Bragg散射机制反演内波波速、半振幅宽度、深度和振幅等动力学参数。对南海北部的非线性内波进行案例研究,由吕宋海峡传来的内波遇到东沙岛发生破裂,一部分继续向西传播,另一部分向西北沿等深线垂直方向传播。波向作为一个重要指标可以有效反映内波传播变化特征,文中以方向谱模型计算同一潮周期内内波传播的方向变化,并验证了180°方向模糊问题是可以解决的。同时内波传播将次表层海水和叶绿素从下层抬升,叶绿素浓度最高值达到0.35 mg/m~3,随着内波传播在0.08~0.35 mg/m~3范围内波动并逐渐趋于背景浓度值。研究使用海底地形与潮流数值合成的OTIS(Oregon State University Tidal Inversion Software)模型对南海北部大陆架区域的内波进行生成模拟,结果表明:当暖水流经吕宋海峡进入南海北部,body forcing1.5 m~2/s~2的海域能够激发内波的生成,其中兰屿岛和恒春半岛等海底山脊起到了关键作用。     

分层流体中水平运动源生成内波的表面流场特征

在三维内波水槽中制备两层流体,利用粒子图像测速技术(PIV),研究了小球在跃层、跃层上部与跃层下部三个位置运动时的表面流场特征,对图像进行处理后得到表面的速度场、散度场、涡度场。当小球在不同深度以不同速度运动时,散度场的锋线均有类似Kelvin波峰线的形状,辐散的角度(内Kelvin角)随着速度的增加而减小。特别地,当小球以在跃层处运动时,辐聚辐散强度的极值随着速度的增加先增加后减小,此时的表面流场近乎于无旋场。     

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     

陆架陆坡潮成内波的二维三层模式

通过构造一三层模式，研究了在强跃层存在情形下内潮的生成与传播特性。研究表明内潮显著依赖于层化结构（层化强弱、各层厚度）。内潮存在可观的斜压余流，陆架上可达８ｃｍ／ｓ。此外，在陆架坡折区，第二模态不可忽略。     

有限深两层流体内孤立波非线性数值模拟入口边界条件研究

基于有限深两层流体KdV(Korteweg-de Vries)、eKdV(extended KdV)和MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口边界条件,采用理想流体完全非线性欧拉方程,建立了两层流体中内孤立波生成的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法。以系列数值模拟结果为依据,结合内孤立波非线性和色散参数的组合条件,给出了选择合适内孤立波理论解作为CFD数值模拟入口边界条件的方法,从而实现了振幅与波形可控的内孤立波完全非线性数值模拟。     

基于大涡模拟的三角形地形之层结流体湍动能收支模型

为了探究海底地形对湍流动能收支的影响,本文使用并行大涡模拟模式(The Parallelized Large-Eddy Simulation Model,PALM),以坡陡作为无量纲地形参数(δ),设置了亚临界、临界和超临界三种地形状态(δ=0.5,1和2)进行数值模拟。文章计算并呈现了地形作用下的流体速度和湍流动能收支分布,以及湍流动能平衡方程各参量。通过回归分析和量纲分析重点讨论了地形顶点处耗散和海表处能量的耗散,与地形坡陡的关系,得出其关系均呈指数形式。