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水平运动源生成内波的表面特征初探

秦朝峰  
【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。


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