【摘要】： 本文研究的是任意穩(wěn)定分層流體中，也含蓋任意穩(wěn)定分層海洋中，由運(yùn)動(dòng)的Rankine卵形體所生成的內(nèi)波這一科學(xué)問題。由于這一問題的潛在的應(yīng)用前景，它的研究倍受流體力學(xué)家和物理海洋學(xué)家所關(guān)關(guān)注。所謂的任意穩(wěn)定分層是指在分層穩(wěn)定的情況下，不限定所研究的密度剖面，因而本文建立的理論和數(shù)值方法可以應(yīng)用到兩層流、強(qiáng)躍層和其他形式的連續(xù)分層。Rankine卵形體是由一對(duì)源-匯以一定速度在分層流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)由零流面包圍的“流體團(tuán)”，它是形狀相同的水下運(yùn)動(dòng)物體的近似。 本文首先研究了描述這類內(nèi)波生成的基本方程式，它分成兩種類型：簡(jiǎn)化的流體力學(xué)方程組和該方程對(duì)應(yīng)的譜方程組。采用Boussinesq近似、靜力近似、非地轉(zhuǎn)近似、剛蓋近似和平底近似得到了有源Sturm-Liouville本征值問題和一階非線性的修正方程，并將有源Sturm-Liouville本征值方程變換為譜方程，它是本研究的基本方程式。由于該方程式源自于零階線性系統(tǒng)，因而一旦求出它的解，我們即可得到所有的波要素。有源Sturm-Liouville本征值問題的求解是借助于Green推遲勢(shì)或超前勢(shì)理論，再處理部分分式展開中的留數(shù)貢獻(xiàn)并將所有的留數(shù)求和即得到所需要的譜解。最后將該解變換到物理空間就得到所需要的解。 本研究方法是一種理論方法，數(shù)值求解只是利用快速FFT進(jìn)行某些積分的運(yùn)算，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以快速得到水下運(yùn)動(dòng)物體在分層海洋中運(yùn)動(dòng)生成時(shí)的內(nèi)波波要素。因此，本法在快速環(huán)境估計(jì)(REA)中可以得到廣泛的應(yīng)用。 為了檢驗(yàn)本文所得到的理論結(jié)果，我們利用中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的三維內(nèi)波-分層流水槽進(jìn)行了Rankine卵形體生成內(nèi)波的初步的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究。該水槽系統(tǒng)有獨(dú)立的分層水制取系統(tǒng)和密度剖面測(cè)量?jī)x。實(shí)驗(yàn)中所使用的模型是一個(gè)與理論計(jì)算 分層流體中Rankine卵形體生成的內(nèi)波 使用Rankine卵形體幾何形狀相似的。從該水槽的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和本文的 理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比可以看到，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。 理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明Rankine卵形體在分層流體中生成的內(nèi) 波主要有以下特點(diǎn): (1)內(nèi)波振幅并不是隨著速度的增加而線性增加的，而是存在 某個(gè)速度，在該速度處生成的內(nèi)波振幅最大。該速度隨著分層情況的 不同而變化。 (2)內(nèi)Kelvin角隨著模型速度的增加而減少。 (3)模型位于分層中不同的深度對(duì)內(nèi)波振幅產(chǎn)生影響，一般來 說在相同的分層條件下，模型處于上層流體中比處在中層和底層流體 中產(chǎn)生的內(nèi)波振幅要大。 (4)在低速的情況下內(nèi)波場(chǎng)表現(xiàn)為橫波系，隨著速度的增大散 波系變強(qiáng)，橫波系變?nèi)�，在高速的情況下完全表現(xiàn)為散波系。
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2003
【分類號(hào)】：P731.22
【圖文】：

圖1Kelvin船波示意圖2給出了一個(gè)觀測(cè)的表面尾流。這個(gè)觀察的尾跡是由旋槳尾跡和Kelvin尾跡組成。白水一般起源于船頭并從船尾延伸2到3個(gè)船長。粘性尾跡從船尾延伸

一入一圖1Kelvin船波示意圖圖2給出了一個(gè)觀測(cè)的表面尾流。這個(gè)觀察的尾跡是由白水、粘性尾跡、螺旋槳尾跡和Kelvin尾跡組成。白水一般起源于船頭、通常在船尾加強(qiáng)并從船尾延伸2到3個(gè)船長。粘性尾跡從船尾延伸幾個(gè)船長，且由于粘性阻力、大尺度渦流和湍流作用在船行進(jìn)方向上合并了所有的流。從螺旋槳流出的海水或者螺旋槳尾跡是被插入到粘性尾跡中的，經(jīng)典Kelvin波譜或Kelvin尾跡也疊加在粘性尾跡中。船舶尾跡其生成和維持取決于船舶的運(yùn)動(dòng)速度、船體的形狀以及推進(jìn)系統(tǒng)，更依賴于由波濤洶涌的風(fēng)波、短的毛細(xì)波和重力波組成的環(huán)境海洋狀況;所有這些因素更加擾亂了船舶尾跡的圖案。

尾流一步步地恢復(fù)為均勻流的行為:回流區(qū)的軸對(duì)稱性，Kelvin一Helmh01tz不穩(wěn)定性，最后是螺旋不穩(wěn)定性。在這一實(shí)驗(yàn)論文中，給出了如圖3圓球近場(chǎng)尾跡可視化的紋影圖片。從該圖可清晰看到尾跡的Mach鋒的形狀、內(nèi)Kelvin角的變化，中央尾跡的蛇形湍尾。徐等〔3’一33]在中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的三維內(nèi)波水槽進(jìn)行了多種模型在分層流體中生成內(nèi)波及內(nèi)波增阻的實(shí)驗(yàn)。該

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 陳旭;分層流體中內(nèi)波對(duì)物體的作用力[D];中國海洋大學(xué);2006年

2 于佳;實(shí)驗(yàn)室條件下內(nèi)波生成和演化的可視化測(cè)量[D];中國海洋大學(xué);2008年

3 張莉;深海立管內(nèi)孤立波作用的動(dòng)力特性及動(dòng)力響應(yīng)研究[D];中國海洋大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 金建明;分層流體中運(yùn)動(dòng)潛體興波特性的數(shù)值計(jì)算研究[D];武漢理工大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2801493