根據(jù)本人在攻讀博士學(xué)位期間所作的兩項海浪研究工作，將學(xué)位論文分為二維數(shù)值波浪水槽模式的建立和應(yīng)用，以及浪流相互作用研究兩部分。 第一部分在回顧數(shù)值波浪水槽發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景的基礎(chǔ)上，重點報告本人獨立開發(fā)二維非線性數(shù)值波浪水槽模式的研究工作，其中包括構(gòu)建數(shù)值波浪水槽的運行原理和具體步驟等全過程。 詳細(xì)闡述了數(shù)值波浪水槽研究的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)以及建立數(shù)值波浪水槽的兩大核心技術(shù)—二次邊界元方法和混合歐拉—拉格朗日方法，給出了數(shù)值波浪水槽運行的實時模擬流程圖。同時還系統(tǒng)說明了該模式應(yīng)用的造波技術(shù)、消波技術(shù)以及特殊數(shù)值處理的方法和步驟。其中對阻尼消波技術(shù)作了改進，設(shè)計了一種紡錘形的阻尼消波器使其具有雙向消波功能和低通濾波功能。將其與一種以水位為控制信號的活塞式消波機相結(jié)合，獲得了更為滿意的消波效果。 為檢驗該波浪水槽模式的性能，對其進行了嚴(yán)格、詳細(xì)的測試。其中包括駐波的模擬實驗，卷波的破碎模擬實驗和一組ISOPE的官方測試(Official Benchmark)模擬實驗。測試結(jié)果表明，該模式具有較完善的造波和消波能力，極好的非線性模擬能力，極佳的計算精度和穩(wěn)定性，能夠較好的滿足數(shù)值實驗的實際需要。 為檢驗該數(shù)值波浪水槽的實用性，對其進行了若干應(yīng)用試驗，以便顯示該水槽在波動實驗中的應(yīng)用潛力，并期望能在海洋混合過程及其機理研究中獲得應(yīng)用。其中一項實驗是將兩層水槽相互耦合，給出模擬界面波的具體方案，實現(xiàn)界面波的模擬嘗試。實驗證明，在線性框架下該模式是穩(wěn)定的，但在非線性模擬中卻出現(xiàn)了由邊界角點引起的弱不穩(wěn)定現(xiàn)象，必須對模式作進一步修改，為此同時提出了以消波器消除該角點影響的限制性解決方法。另一項實驗是借用地形的往復(fù)運動產(chǎn)生的波動，模擬往復(fù)流中由地形激發(fā)的波動現(xiàn)象，找到了往復(fù)流地形波與往復(fù)頻率和地形高度之間的初步關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了由地形引起的高頻不穩(wěn)定和破碎現(xiàn)象并給出了初步的解釋。 第二部分根據(jù)本人協(xié)助導(dǎo)師所作的相關(guān)工作，對當(dāng)前國內(nèi)外的浪流相互作用研究進展做了系統(tǒng)的回顧，針對海浪對海流的大尺度驅(qū)動作用進行了有意義的探索。 在流對浪的作用討論中，依據(jù)波動的射線理論和由變分原理導(dǎo)出的波作用量守恒定律，闡明了穩(wěn)定波場波數(shù)矢量的無旋條件與費馬原理的等價性，扼要討論了背景流場影響海浪的運動學(xué)效應(yīng)和動力學(xué)效應(yīng)，首次指出水位(包括天文潮位與風(fēng)暴潮位)變化對海浪成長與消衰的影響，為流浪潮聯(lián)合數(shù)值模式的發(fā)展提供必要的理論依據(jù)。在浪對流作用的討論中，系統(tǒng)的闡述了海浪在地轉(zhuǎn)作用和粘性條件下所產(chǎn)生的各種作用力，詳述了它們的生成機制，并定性的分析了相應(yīng)的波生流，同時，首次提供了地轉(zhuǎn)條件下浪致雷諾應(yīng)力張量的完整表達(dá)式，為實現(xiàn)海流模式與海浪模式的并行數(shù)值計算提供了一種簡便的途徑。 二維數(shù)值波浪水槽模式的建立和應(yīng)用 在前人有關(guān)海浪波生作用力研究工作的基礎(chǔ)上，依據(jù)f平面近似下線化無粘流 體運動方程的一般形式，并考慮地轉(zhuǎn)角速度水平分量的作用，首次給出真正地轉(zhuǎn)意 義下均勻水底上的小振幅波動解。由此解導(dǎo)出的波生切應(yīng)力包括波向與橫向兩個分 量。依地轉(zhuǎn)波生應(yīng)力和虛擬波生應(yīng)力計算了海面上波生總應(yīng)力與風(fēng)應(yīng)力的比值，大 致估計了該應(yīng)力在我國海域環(huán)流研究中的重要性。 最后，在上述研究的基礎(chǔ)上對海浪的橫向徹體切應(yīng)力進行了定量的具體分析。 使用風(fēng)浪經(jīng)驗公式和風(fēng)浪傳入近岸的小振幅波動理論，計算并分析了地轉(zhuǎn)條件下波 生橫向徹體切應(yīng)力隨風(fēng)速、風(fēng)區(qū)、水深等因素的變化規(guī)律;將其與定常Ekman漂流 中的風(fēng)生湍粘性力的比較表明，在中、高緯度的通常海況下兩者具有相同量級，從 而強調(diào)在風(fēng)生漂流研究中必須考慮由地轉(zhuǎn)引起的波生橫向徹體切應(yīng)力。
【學(xué)位單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2003
【中圖分類】：P731.22
【部分圖文】：

形的影響很大。下圖是潮流在地形的影響下產(chǎn)生流動變化的情況，毫無疑問，地形作用對當(dāng)?shù)睾Ｋ幕旌掀鹬匾淖饔�。圖s一2一1潮流受海岸地形影響情形之示意圖。摘自Garret.G.andLeoR.M.Maas(1993)同時，在存在密度躍層的海域中，水面潮所引起的潮流運動與海底地形發(fā)生作用，會造成等密度面在水平方向上的不均勻分布，當(dāng)潮流速度改變時引起不穩(wěn)定便會產(chǎn)生界面波動，即所謂的內(nèi)潮(工nternaltide)。5Iaok.ni.gTideSh0ItSUrfae6W.V68J為r峪加.加徹吶卜出G下習(xí)”(‘圖s一2一2內(nèi)潮生成示意圖。摘自G。rret0.。ndLeoRMMaas(1993)。對內(nèi)潮波的研究是當(dāng)前大洋環(huán)流研究的一大熱點問題，因為它的運動狀態(tài)極大地影響著海洋上混合層與底層水的交換。海洋是在上層加熱的，由于溫躍層的存在所獲得的能量如果沒有機械能的干預(yù)很難通過湍流擴散或以垂直環(huán)流的形式直接向下傳遞，因此找到使海水上下交換的機制，就等于找到了大洋環(huán)流運轉(zhuǎn)的動力。于是內(nèi)潮波作為溫躍層上的主要波動之一，成為了海洋學(xué)家矚月的焦點。實驗觀測發(fā)現(xiàn)
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本文編號：2875452