水平运动源生成内波的表面特征初探

发布时间：2020-06-14 13:10

【摘要】： 本论文采用理论、PIV实验及数值模式初步探讨了分层流体中水平匀速运动源(小球)生成内波的表面特征,包括速度场、速度分量场、梯度场、散度场、旋度场、能量场以及实验室条件下的表面SAR影像,为基于内波水动力原理的非声学探测潜艇提供一些科学依据。论文的主要工作及成果如下: 理论部分:(1)对比了Miles(1971)的经典理论跟Xu和Sturova(2006)的水平运动源产生内波的线性理论,经过推导发现两个理论的基本方程、边界条件、描述运动偶极子的方程都相同。(2)Xu和Sturova(2006)给出卵形体生成内波的波场解,本文根据其思路得到小球生成内波的波场解。(3)将袁业立(1997)的SAR成像理论在实验室下进行简化,得到实验室条件下的SAR影像公式。实验部分:运用中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室的PIV实验设备得到高分辨率表面流场;重点研究了分层流体中水平运动小球生成的内波对表面流场的影响。运用PIV技术获得表面波致流场的数据,经数据处理分析了水平运动小球生成内波的表面特征,根据小球的不同垂向位置,初步得到以下结论。当小球位于跃层中心水平匀速运动时, (1)表层流场近乎无旋。 (2)速度场、梯度分量场、能量场、散度场的峰线的分布均有类似于Kelvin波峰线的形状。 (3)从散度场上仅看到散波,没有看到横波。 (4)辐散的角度与内Froude数存在单峰关系。 (5)辐散的强度与内Froude数存在双峰结构。 (6)首次给出了实验室条件下SAR影像的系综结果。当小球位于跃层上、下以相近地速度运动时,跃层下SAR影像的V形角明显大于跃层上的情形。当小球位于线性分层流体中时,探讨得到的结论有: (1)SAR影像受风向的影响。 (2)层化流体中,首次看到SAR影像是又窄又亮的V形。均匀流体中,则观测不到。数值部分:根据Xu和Sturova(2006)的线性模型及其对应的数值模式,对模式进行了修改,将源汇系统改为偶极子系统,得到实验室条件下水平运动小球生成内波的线性模型;重复实验上数据处理的方法及所讨论的物理量,最后在实验参数完成相同情况下,数值模式得到的SAR影像跟实验室条件下的SAR影像做了比较。得到的结果如下: (1)数值实验发现当小球在跃层上运动时得到的速度场、梯度分量、散度场、SAR影像与在跃层下运动时所得到的对应的物理量的位相相反。 (2)当小球在跃层下运动时,实验参数相同的情况下,数值SAR影像和实验室条件下的SAR影像的结果具有了相似性。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：P731.24
【图文】：

体效应,尾流,效应,水下运动物体

海洋基本处于稳定层结状态，也就是说，海水密度一般随着深度的增加而增加，而且存在密度急剧变化的深度区间，这一般被称为密跃层（pycnocline）。海水质点的在这样的背景场中向上或向下运动时，质点的密度就会大于或小于周围的环境密度，这样质点就受到一种浮力回复力的作用，在其初始平衡位置附近上下振荡，从而生成内波。内波的生成机制有很多种，水下运动物体在分层海洋中运动时生成的内波则是其中之一。水下运动物体在分层流体中的运动包括水平、垂直、振荡等运动（Lighthill，1978），无论哪一种运动，由于物体的体积效应，都会使得流体质点离开其平衡位置形成振荡，产生内波，这是源致内波的生成机制之一：船体效应（hall effect）；其二是水下运动物体湍尾流的重力塌陷机制（wakecollapse），这是由于粘性的作用使水下运动物体运动迹线和内尾区生成强烈地湍流密度混合区，从而引起密度在尾流中的塌陷，导致内波的生成和传播（Wu，1969；Miles，1971；Milder，1974；Mager，1974；Sturova，1978，1985；Robey，1997）,图 0-1 直观地给出了分层盐水中水平运动小球的两种效应。

示意图,船波,尾迹,潜艇

图 0-2 潜艇生成的 Kelvin 船波（http://www.submarine.id.ru/，2009 年 4 月 16 日尾迹的示意图（Reed，1990，2002）Kelvin 的结果描述了船波的最基本的特征，并给出其结果的适用2 U >> 1，其中 r 为扰动源的辐射半径， g 和U 分别为重力加速度和船波系对应于一个驻相点，从图 0-2 可以看出这些驻相点在 V 形（楔形在 V 形线上，Kelvin 的分析表现出了奇异性。在楔形线上解的奇异性，导致 Kelvin 驻相法失效。Honger(1923)，Pete

【参考文献】