【摘要】： 本論文采用理論、PIV實驗及數(shù)值模式初步探討了分層流體中水平勻速運動源(小球)生成內(nèi)波的表面特征,包括速度場、速度分量場、梯度場、散度場、旋度場、能量場以及實驗室條件下的表面SAR影像,為基于內(nèi)波水動力原理的非聲學(xué)探測潛艇提供一些科學(xué)依據(jù)。 論文的主要工作及成果如下: 理論部分:(1)對比了Miles(1971)的經(jīng)典理論跟Xu和Sturova(2006)的水平運動源產(chǎn)生內(nèi)波的線性理論,經(jīng)過推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)兩個理論的基本方程、邊界條件、描述運動偶極子的方程都相同。(2)Xu和Sturova(2006)給出卵形體生成內(nèi)波的波場解,本文根據(jù)其思路得到小球生成內(nèi)波的波場解。(3)將袁業(yè)立(1997)的SAR成像理論在實驗室下進行簡化,得到實驗室條件下的SAR影像公式。 實驗部分:運用中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點實驗室的PIV實驗設(shè)備得到高分辨率表面流場;重點研究了分層流體中水平運動小球生成的內(nèi)波對表面流場的影響。運用PIV技術(shù)獲得表面波致流場的數(shù)據(jù),經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析了水平運動小球生成內(nèi)波的表面特征,根據(jù)小球的不同垂向位置,初步得到以下結(jié)論。當(dāng)小球位于躍層中心水平勻速運動時, (1)表層流場近乎無旋。 (2)速度場、梯度分量場、能量場、散度場的峰線的分布均有類似于Kelvin波峰線的形狀。 (3)從散度場上僅看到散波,沒有看到橫波。 (4)輻散的角度與內(nèi)Froude數(shù)存在單峰關(guān)系。 (5)輻散的強度與內(nèi)Froude數(shù)存在雙峰結(jié)構(gòu)。 (6)首次給出了實驗室條件下SAR影像的系綜結(jié)果。當(dāng)小球位于躍層上、下以相近地速度運動時,躍層下SAR影像的V形角明顯大于躍層上的情形。 當(dāng)小球位于線性分層流體中時,探討得到的結(jié)論有: (1)SAR影像受風(fēng)向的影響。 (2)層化流體中,首次看到SAR影像是又窄又亮的V形。均勻流體中,則觀測不到。 數(shù)值部分:根據(jù)Xu和Sturova(2006)的線性模型及其對應(yīng)的數(shù)值模式,對模式進行了修改,將源匯系統(tǒng)改為偶極子系統(tǒng),得到實驗室條件下水平運動小球生成內(nèi)波的線性模型;重復(fù)實驗上數(shù)據(jù)處理的方法及所討論的物理量,最后在實驗參數(shù)完成相同情況下,數(shù)值模式得到的SAR影像跟實驗室條件下的SAR影像做了比較。得到的結(jié)果如下: (1)數(shù)值實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)小球在躍層上運動時得到的速度場、梯度分量、散度場、SAR影像與在躍層下運動時所得到的對應(yīng)的物理量的位相相反。 (2)當(dāng)小球在躍層下運動時,實驗參數(shù)相同的情況下,數(shù)值SAR影像和實驗室條件下的SAR影像的結(jié)果具有了相似性。
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：P731.24
【圖文】：

海洋基本處于穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)，也就是說，海水密度一般隨著深度的增加而增加，而且存在密度急劇變化的深度區(qū)間，這一般被稱為密躍層（pycnocline）。海水質(zhì)點的在這樣的背景場中向上或向下運動時，質(zhì)點的密度就會大于或小于周圍的環(huán)境密度，這樣質(zhì)點就受到一種浮力回復(fù)力的作用，在其初始平衡位置附近上下振蕩，從而生成內(nèi)波。內(nèi)波的生成機制有很多種，水下運動物體在分層海洋中運動時生成的內(nèi)波則是其中之一。水下運動物體在分層流體中的運動包括水平、垂直、振蕩等運動（Lighthill，1978），無論哪一種運動，由于物體的體積效應(yīng)，都會使得流體質(zhì)點離開其平衡位置形成振蕩，產(chǎn)生內(nèi)波，這是源致內(nèi)波的生成機制之一：船體效應(yīng)（hall effect）；其二是水下運動物體湍尾流的重力塌陷機制（wakecollapse），這是由于粘性的作用使水下運動物體運動跡線和內(nèi)尾區(qū)生成強烈地湍流密度混合區(qū)，從而引起密度在尾流中的塌陷，導(dǎo)致內(nèi)波的生成和傳播（Wu，1969；Miles，1971；Milder，1974；Mager，1974；Sturova，1978，1985；Robey，1997）,圖 0-1 直觀地給出了分層鹽水中水平運動小球的兩種效應(yīng)。

圖 0-2 潛艇生成的 Kelvin 船波（http://www.submarine.id.ru/，2009 年 4 月 16 日尾跡的示意圖（Reed，1990，2002）Kelvin 的結(jié)果描述了船波的最基本的特征，并給出其結(jié)果的適用2 U >> 1，其中 r 為擾動源的輻射半徑， g 和U 分別為重力加速度和船波系對應(yīng)于一個駐相點，從圖 0-2 可以看出這些駐相點在 V 形（楔形在 V 形線上，Kelvin 的分析表現(xiàn)出了奇異性。在楔形線上解的奇異性，導(dǎo)致 Kelvin 駐相法失效。Honger(1923)，Pete

【參考文獻】

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本文編號：2712830