有限深分层流体中有限振幅内孤立波的高阶理论

研究有限深分层流体有限振幅内孤立波的高阶理论。针对上层流体密度均匀,下层密度随深度变化的有限深混合分层模型,采用PLK方法和匹配渐近展开法相结合,建立了波幅的二阶、三阶修正所满足的方程。并在特殊密度分布——强分层流体模型下对波幅二阶、三阶发展方程进行了数值计算,得到了波幅二阶、三阶解曲线。结果表明,我们的一阶、二阶振幅修正方程与前人研究结果一致,二阶、三阶解曲线相对于一阶解曲线有明显的改进,因此,推广了前人的工作。     

有限深两层流体中水波与水平圆柱潜体的相互作用

研究了有限深两层流体中表面波模态和内波模态的水波与水平圆柱潜体的相互作用问题。在线性势流理论框架内,建立了两种模态入射波作用下,水平圆柱体绕射势的多极展开求解理论。基于所建立的求解模型,对作用在圆柱体上的波浪力进行了数值计算分析,并且与均匀流中情况进行了比较。结果表明了,在入射波的某个频率范围内,流体的分层效应对圆柱体波浪力的影响是不可忽略的。同时,对流域内的绕射速度矢量场进行了数值分析。     

一般密度分布的分层流体中内孤立波三阶理论

在浅水假定下,可以用KdV方程描述一阶内孤立波演化,其单个孤立波解有熟知的“Sech”波形,波速与波幅呈线性关系,波长与波幅的平方根成反比。本文借助计算机代数软件一MATHEMATICA,这种理论推广到三阶,得知高阶项满足线性化非齐次KdV方程,并得到波形和波速的三阶修正以及波长的二阶修正。在Boussinesq近似下讨论了有线性基本剪切流动与不变的Brunt-Vaeisalae频率这一特殊情形。     

分层流体中冰脊拖曳力的数值模拟研究

冰脊在分层流体表面的漂移运动会在内界面激发出内波,内波又会对冰脊的运动、堆积产生重要影响。利用湍流模型对冰脊在分层流体中的运行过程进行了数值模拟研究,并与已有物理模型实验结果做了比较,冰脊拖曳力和内波界面的数值模拟结果与物理实验结果吻合良好。当流场属于跨临界区时,内波的产生使冰脊拖曳力随弗劳德数Fr先增大后减小,冰脊拖曳系数随Fr的变化规律类似。当流场属于超临界区时,拖曳力随Fr增大而增大,拖曳系数不再随弗劳德数变化。当内波波峰达到最高点的时候,冰脊拖曳力达到一个峰值。     

一种自适应网格方法及其在流场中存在任意静止移动物体问题的应用

一种新的自适应网格方法,并应用在存在静止或移动物体的二维流场数值模拟。应用该方法并不产生新的节点和单元,并且不用插值就可以精准地计算物体与流体交接面的应力。该方法应用在有静止与转动的圆柱绕流问题,计算结果与相关试验结果符合较好。     

一种稳定的移动粒子半隐式法

该文提出了一种稳定的移动粒子半隐式法(MPS)。分析了MPS方法求解封闭区域流动的有解条件、自由面流动中粒子以较大速度撞击壁面或液面时出现的不稳定现象。为了解决这些问题,提出了Navier-Stokes方程新的求解算法和自由面边界处理方法。改进后的MPS方法提高了计算的稳定性,采用该方法成功模拟了自由面流动的溃坝现象,从而验证了该方法的有效性。     

有限深两层流体中内孤立波传播演化理论模型研究

该文对Choi和Camassa给出的一个内孤立波方程模型中的系数进行了修正,并给出了基于方程的内孤立波定态解表达式,将其称为内孤立波me Kd V理论解,进而采用有限体积/有限差分混合方法数值求解内孤立波的三类(Kd V、e Kd V和me Kd V型)非线性传播演化方程,分别以内孤立波的Kd V、e Kd V、MCC和me Kd V定态解作为初始输入波,研究其非线性传播演化特性,并获得其适用性条件。结果表明,三类非线性传播演化方程,只适合于相应内孤立波定态解初始波的定态传播,而对其他定态解初始波将发生波形变形、分裂等非线性现象。在此基础上,定量地给出了三类非线性传播演化方程的适用性条件,为采用何种非线性方程来研究实际海洋中内孤立波的传播演化问题提供了理论依据。     

水下运动体体效应内波理论分析研究

基于势流理论对分层流中运动物体产生的内波进行了分析,其中采用线性自由面条件,通过傅里叶变换法,建立了体效应内波的预报模型,并对跃变分层中水下卵形体的内波进行了计算和分析。计算结果与文献理论结果吻合良好,表明了本研究建立的体效应内波预报模型的正确性。     

The second-order hydroelastic analysis of a SWATH ship moving in large-amplitude waves

1. INTRODUCTION During the last two decades, the linear three-dimensional hydroelasticity theory[1,2] has been extensively applied to a wide range of fluid-structure interaction problems in the field of naval architecture and marine engineering[3-5]. Thes…     

Time-frequency analysis of internal waves generated by a towed and self-propelled submerged body model

The spectrogram,based on a short-time Fourier transform,can visualize the time-dependent frequency spectrum of waves and is easy to compute.This time-frequency analysis method provides crucial information about waves generated by moving vessels and has been utilized to analyze Kelvin ship waves and internal waves.To further study the internal waves induced by a submerged body,an experiment is conducted for the towed and self-propelled SUBOFF model in a stratified fluid.The internal wave elevation signals are captured using electronic conductivity probes.Comparing with the calculation results of theoretical model,the high-frequency component of internal waves is identified.The high-frequency component has the exact same characteristics in both the towed and self-propelled model experiment and is consistent with the theoretical results for all Froude numbers.Therefore,this component is composed mainly of lee waves.Through spectral characteristics identification,a low-frequency component is discovered in the spectrogram in addition to the lee wave component.The intensity of the low-frequency component is tightly related to the vortex structure behind the submerged body.The vortex structure depends on the net momentum imparted by the submerged body.Therefore,this component is composed mainly of wake waves induced by the vortex structure.     

Homotopy-based analytical approximation to nonlinear short-crested waves in a fluid of finite depth

A nonlinear short-crested wave system, consisting of two progressive waves propagating at an oblique angle to each other in a fluid of finite depth, is investigated by means of an analytical approach named the homotopy analysis method(HAM). Highly convergent series solutions are explicitly derived for the velocity potential and the surface wave elevation. We find that, at every value of water depth, there is little difference between the kinetic energy and the potential energy for nonlinear waves. The nonlinear short-crested waves with a larger angle of incidence always contain the more potential wave energy. With the aid of the HAM, we obtain the dispersion relation for nonlinear short-crested waves. Furthermore, it is shown that the wave elevation tends to be smoothened at the crest and be sharpened at the trough as the water depth increases, and the wave pressure crests and troughs become steeper with increasing incident wave steepness.     

周期性内波与潜体相互作用的试验研究

对密度分层流体中周期性内波与水下Suboff潜艇模型的相互作用进行了试验研究.采用摇板方法进行了内波造波试验,对内波的波高和周期进行了测量分析,获得了内波波高与周期之间的对应关系;利用三分力天平对潜体模型在内波作用下的受力进行了测量分析,获得了潜体的内波波浪力随潜深以及周期性内波作用的变化规律.试验结果表明:内波波高、周期对潜体所受的波浪力有显著影响:潜体受到的内波波浪力与潜体在内波流场的相对位置密切相关,其水平力、垂直力和垂向力矩在不同的潜深处呈现不同的特点.     

两层流体中潜艇水下运动尾迹的数值模拟

本研究使用基于RANS方程和VOF方法的非定常粘性数值方法对潜艇在两层流体中水下运动时的尾迹特征进行了探索性研究,成功的模拟出潜艇水下运动产生的表面波和内波,数值计算结果与理论分析和文献研究结果基本一致。     

分层水库曝气诱导内波特性及消减分层效果

水温分层是深水型水库水质内源污染的主要诱因。针对现有消减水温分层技术的高能耗问题,尝试利用扬水曝气器的周期性出流作为扰动源,在气水两相流条件下诱导产生内波。基于模型水库水温垂向密度剖面的历时信息,计算水库内波的特征参数,分析内波的特性及其消减水温分层的效果。当曝气量为50~200 L/h、跃温层温度梯度为0.34~0.49℃/cm时,在特定条件下能产生内波,内波的波幅在跃温层浮力频率最小处最大。随曝气时间推移,内波的能量逐渐耗散,波幅逐渐减小,内波有破碎趋势。随曝气量减小,内波的特征参数值的总趋势是先逐渐增大到极值,再逐渐减小。随温度梯度增大,内波周期有减小趋势,波速、波长、波幅则相反。内波特性受温度梯度影响较大。在本中试条件下,相对传统的循环水流混合,内波混合可使消减分层的效率提高25%~60%。