內(nèi)孤立波是海洋中普遍存在的自然現(xiàn)象,對海洋生態(tài)和海上建筑都有重要的影響。上世紀(jì)60年代以來,Korteweg-de Vries (KdV)方程已經(jīng)成為內(nèi)孤立波研究最為常用的經(jīng)典理論�；贙dV方程的解,孤立波在豎直平面上反射或者等振幅孤立波相互作用時(shí),在反射點(diǎn)或者相互作用區(qū)域附近可以產(chǎn)生新的孤立波,其最大振幅可達(dá)原孤立波振幅的4倍,并且新生成孤立波波峰線隨時(shí)間增長。目前,對于層結(jié)流體中內(nèi)孤立波的反射和相互作用的研究相對較少,因此本文中首先就該問題采用水槽實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)探究。此外,兩層流體假設(shè)下KdV方程是最簡潔易用的形式,通過內(nèi)孤立波導(dǎo)致的海水最大水平流速可反演出內(nèi)孤立波的振幅,結(jié)合海水層結(jié)數(shù)據(jù)即可反演其傳播特征,據(jù)此結(jié)合南海北部荔灣區(qū)塊的實(shí)地觀測數(shù)據(jù)對該海域內(nèi)孤立波傳播特征進(jìn)行了初步分析,并可以為設(shè)計(jì)一種簡單的內(nèi)孤立波預(yù)警方法提供參考。本文研究內(nèi)容主要包括兩部分：第一,采用水槽實(shí)驗(yàn)對兩層流體中內(nèi)孤立波反射和對稱相互作用進(jìn)行了模擬,并與基于KdV方程解的內(nèi)孤立波傳播速度以及相互作用理論結(jié)果進(jìn)行了對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),重力塌陷法要優(yōu)于混合重力流沖擊法,前者生成的波形更為對稱和完整,而且形成時(shí)間較短；層結(jié)和入射波振幅一定的情況下,內(nèi)孤立波的反射或?qū)ΨQ相互作用的類型取決于入射角的大小,通過與臨界角的對比可以來判斷反射類型,即入射角在小于臨界角時(shí)為馬赫反射,入射角大于或等于臨界角時(shí)為常規(guī)反射,與理論結(jié)果相吻合；馬赫反射的步角要大于理論值,馬赫反射中馬赫峰的成長速度要大于理論值。此外,水槽實(shí)驗(yàn)中反射區(qū)域的振幅并未出現(xiàn)4倍放大效應(yīng),最大振幅約為入射波振幅的2倍左右；馬赫反射的反射角并非定常值,且較理論值偏大；實(shí)驗(yàn)中內(nèi)孤立波的強(qiáng)非線性可能是造成以上偏差的主要原因。第二,基于KdV方程,結(jié)合南海北部的錨系觀測數(shù)據(jù)和WOA13數(shù)據(jù)對南海北部荔灣區(qū)塊的內(nèi)孤立波傳播特征進(jìn)行了分析,實(shí)測數(shù)據(jù)共捕獲了五次典型的內(nèi)孤立波過程,其中四次具有兩套錨系同步觀測。分析發(fā)現(xiàn)：對荔灣區(qū)塊一次大振幅內(nèi)孤立波過程,背景海流對內(nèi)孤立波傳播速度的影響約為5%,因此對于該海域內(nèi)孤立波預(yù)警而言背景流的作用不是很大；選取第一模態(tài)最大值對應(yīng)深度作為上層海水厚度,結(jié)合KdV方程可以對荔灣區(qū)塊內(nèi)孤立波傳播特征進(jìn)行預(yù)測,且誤差控制在9%以內(nèi),基于此可以通過監(jiān)測上層流速的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警：此外還以“海洋石油981”平臺為例,利用Morison方程等經(jīng)驗(yàn)公式對其所受典型內(nèi)孤立波載荷時(shí)歷進(jìn)行了分析,以期對該區(qū)域作業(yè)的石油平臺提供安全參考。
【學(xué)位單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：P731.24
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 引言
    1.1 內(nèi)孤立波簡介
    1.2 內(nèi)孤立波反射和相互作用的研究進(jìn)展
    1.3 南海北部內(nèi)孤立波研究進(jìn)展
    1.4 主要研究內(nèi)容
2 Korteweg-de Vries方程簡介
    2.1 兩層流體假定下KdV方程的解
    2.2 連續(xù)層結(jié)假定下KdV方程的解
3 內(nèi)孤立波反射與相互作用的實(shí)驗(yàn)研究
    3.1 內(nèi)孤立波相互作用分類
    3.2 水槽實(shí)驗(yàn)儀器及內(nèi)孤立波生成方法簡介
        3.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器簡介
        3.2.2 內(nèi)孤立波的生成方法
    3.3 內(nèi)孤立波反射實(shí)驗(yàn)
        3.3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
        3.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
        3.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    3.4 內(nèi)孤立波相互作用實(shí)驗(yàn)
        3.4.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
        3.4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析
    3.5 本章小結(jié)
4 南海北部內(nèi)孤立波傳播特征研究
    4.1 數(shù)據(jù)簡介
        4.1.1 實(shí)測數(shù)據(jù)簡介
        4.1.2 WOA13數(shù)據(jù)簡介
    4.2 內(nèi)孤立波傳播特征獲取
        4.2.1 觀測站位處浮性頻率剖面計(jì)算方法
        4.2.2 內(nèi)孤立波傳播方向提取方法
        4.2.3 內(nèi)孤立波傳播速度估算方法
        4.2.4 內(nèi)孤立波傳播速度驗(yàn)證
    4.3 內(nèi)孤立波對“海洋石油981”平臺的載荷
        4.3.1 內(nèi)孤立波對“海洋石油981”平臺的水平載荷估算
        4.3.2 內(nèi)孤立波對“海洋石油981”平臺的垂向載荷估算
        4.3.3 內(nèi)孤立波對“海洋石油981”平臺的力矩估算
    4.4 本章小結(jié)
5.結(jié)論與展望
    5.1 結(jié)論
    5.2 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
個(gè)人簡歷

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9 張R

本文編號：2833152