内孤立波传播演化及与地形作用的试验研究

内孤立波传播演化及与地形作用的试验研究

论文摘要

随着海洋探测和深海装备技术的不断发展,深海中的海洋运动不断受到人们的关注,内波即是其中的一种典型运动。内孤立波是一种特殊的内波,其携带的能量巨大,在海洋中发生频率极高,分布范围极广,对于海洋环境有着重要的影响,因此国内外学者对于内孤立波开展了很多的工作。而在内孤立波的实验领域,国内外学者开展的有关内孤立波的实验,大多都是使用的水和盐水的分层系统,但由于水和盐水具有混合性,内孤立波在经过水下地形时,受地形的影响,两层流体之间会发生明显的扩散现象,此时流场信息便不能精准的捕捉到。因此使用强分层的两层流体,规避流体间的扩散问题,有助于准确测量内孤立波经过水下地形时的流场信息,这对于认识内孤立波的传播及演化特征,改进理论模型,具有重要的指导意义本文在大连理工大学船舶工程学院自主进行内孤立波试验水槽的搭建,使用完全不相溶的二甲基硅油和水构造强分层条件下的两层流体系统,对重力塌陷生成内孤立波方法进行改进,使用工业面阵CCD(Charge Coupled Device)相机进行数据的采集,基于形态学闭运算与自适应阈值分割的图像处理方法来自主编写程序进行内孤立波波面特征的提取,使用PIV(Particle Image Velocimetry)试验技术并改良PIV试验环境来获得严格意义上的两层流体条件下的内孤立波流场。通过改进的试验方法,提高了试验可重复性与精度,获得了较高质量的内孤立波精细流场。研究了重力塌陷造波方法对内孤立波特征的影响,对比了试验结果与典型内孤立波理论解,分析了内孤立波流场结构,速度场与涡量场的演化特征及其在空间上的分布。在下层流体中布置三种典型地形,研究了内孤立波经过不同地形时的流场演化规律,水下地形对某些关键物理量(水平流速、涡量)的影响,以及内孤立波在经过地形前后的振幅及波面演变情况。研究表明,试验结果与考虑自由表面条件的MCC理论解最为接近,塌陷区域的高度与宽度对内孤立波波形及振幅有着较为明显的影响。不同振幅的内孤立波的流场结构具有相似性。内孤立波经过不同的水下地形时,其速度场和涡量场具有不同的演化规律,会在地形前方形成较大的涡旋,不同地形下的涡旋的运动规律不同。地形对上下层流体的水平流速以及涡量有着剧烈的影响。内孤立波在经过地形后波面会发生明显的演化,且振幅会显著衰减。本文得到的强分层条件下的内孤立波特征,对于将来的理论模型的改进有一定的指导意义。获得的严格意义上的两层流系统中的内孤立波经过地形时的流场演化特征,对于认识内孤立波的传播与演化机理有着重要的参考价值。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  •   1.1 课题背景与意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 内孤立波理论研究现状
  •     1.2.2 内孤立波实验研究现状
  •   1.3 本文主要研究内容
  • 2 内孤立波试验方法
  •   2.1 内孤立波试验系统
  •     2.1.1 强分层的两层流系统
  •     2.1.2 内孤立波造波系统
  •     2.1.3 数据测量与处理系统
  •   2.2 测量系统误差分析
  •   2.3 试验可重复性验证
  •   2.4 本章小结
  • 3 无地形时的内孤立波传播特征研究
  •   3.1 内孤立波理论模型
  •     3.1.1 控制方程
  •     3.1.2 KdV模型
  •     3.1.3 eKdV模型
  •     3.1.4 mKdV模型
  •     3.1.5 MCC模型
  •     3.1.6 自由表面条件下的MCC与 KdV模型
  •   3.2 内孤立波造波评价与影响参数研究
  •     3.2.1 试验波形与典型理论模型的对比分析
  •     3.2.2 内孤立波特征频率与相速度
  •     3.2.3 内孤立波与造波参数的关系
  •   3.3 内孤立波流场结构的试验研究
  •     3.3.1 内孤立波的速度场与涡量场分析
  •     3.3.2 涡量与水平流速随时间变化及垂向分布
  •   3.4 本章小结
  • 4 内孤立波与地形作用时的演化规律研究
  •   4.1 内孤立波上台阶的试验研究
  •     4.1.1 地形处速度场与涡量场的演化特征
  •     4.1.2 流体速度与涡量随时间变化及垂向分布
  •     4.1.3 内孤立波上台阶前后的振幅及波面变化
  •   4.2 内孤立波下台阶的试验研究
  •     4.2.1 地形处速度场与涡量场的演化特征
  •     4.2.2 流体速度与涡量随时间变化及垂向分布
  •     4.2.3 内孤立波下台阶前后的振幅及波面变化
  •   4.3 内孤立波过三角形地形的试验研究
  •     4.3.1 地形处速度场与涡量场的演化特征
  •     4.3.2 流体速度与涡量随时间变化及垂向分布
  •     4.3.3 内孤立波过三角形地形前后的振幅及波面变化
  •   4.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
  • 致谢
  • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 李振浩

    导师: 邹丽

    关键词: 内孤立波,强分层系统,试验,流场可视化,地形影响

    来源: 大连理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 海洋学

    单位: 大连理工大学

    分类号: P731.2

    DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000828

    总页数: 103

    文件大小: 11121K

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