【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，由運動的Rankine卵形體所生成的內波這一科學問題。由于這一問題的潛在的應用前景，它的研究倍受流體力學家和物理海洋學家所關關注。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)值方法可以應用到兩層流、強躍層和其他形式的連續(xù)分層。Rankine卵形體是由一對源-匯以一定速度在分層流體中運動時由零流面包圍的“流體團”，它是形狀相同的水下運動物體的近似。 本文首先研究了描述這類內波生成的基本方程式，它分成兩種類型：簡化的流體力學方程組和該方程對應的譜方程組。采用Boussinesq近似、靜力近似、非地轉近似、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推遲勢或超前勢理論，再處理部分分式展開中的留數(shù)貢獻并將所有的留數(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進行某些積分的運算，這種方法的優(yōu)點是可以快速得到水下運動物體在分層海洋中運動生成時的內波波要素。因此，本法在快速環(huán)境估計(REA)中可以得到廣泛的應用。 為了檢驗本文所得到的理論結果，我們利用中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室的三維內波-分層流水槽進行了Rankine卵形體生成內波的初步的實驗室實驗研究。該水槽系統(tǒng)有獨立的分層水制取系統(tǒng)和密度剖面測量儀。實驗中所使用的模型是一個與理論計算 分層流體中Rankine卵形體生成的內波 使用Rankine卵形體幾何形狀相似的。從該水槽的實驗結果和本文的 理論計算結果的對比可以看到，理論結果與實驗結果基本吻合。 理論和實驗結果證明Rankine卵形體在分層流體中生成的內 波主要有以下特點: (1)內波振幅并不是隨著速度的增加而線性增加的，而是存在 某個速度，在該速度處生成的內波振幅最大。該速度隨著分層情況的 不同而變化。 (2)內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內波振幅產(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)生的內波振幅要大。 (4)在低速的情況下內波場表現(xiàn)為橫波系，隨著速度的增大散 波系變強，橫波系變弱，在高速的情況下完全表現(xiàn)為散波系。
【學位授予單位】：中國海洋大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2003
【分類號】：P731.22
【圖文】：

圖1Kelvin船波示意圖2給出了一個觀測的表面尾流。這個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給出了一個觀測的表面尾流。這個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、通常在船尾加強并從船尾延伸2到3個船長。粘性尾跡從船尾延伸幾個船長，且由于粘性阻力、大尺度渦流和湍流作用在船行進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動速度、船體的形狀以及推進系統(tǒng)，更依賴于由波濤洶涌的風波、短的毛細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。

尾流一步步地恢復為均勻流的行為:回流區(qū)的軸對稱性，Kelvin一Helmh01tz不穩(wěn)定性，最后是螺旋不穩(wěn)定性。在這一實驗論文中，給出了如圖3圓球近場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]在中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室的三維內波水槽進行了多種模型在分層流體中生成內波及內波增阻的實驗。該

【引證文獻】

相關博士學位論文 前3條

1 陳旭;分層流體中內波對物體的作用力[D];中國海洋大學;2006年

2 于佳;實驗室條件下內波生成和演化的可視化測量[D];中國海洋大學;2008年

3 張莉;深海立管內孤立波作用的動力特性及動力響應研究[D];中國海洋大學;2013年

相關碩士學位論文 前1條

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

本文編號：2801493