细长潜器在内孤立波作用下大幅运动的轨迹和姿态

海洋内部的大幅内孤立波可能会威胁到潜器的航行稳定性和安全性,为探究潜器迎面遭遇内孤立波时的运动特性,建立两层流中细长潜器结构在内孤立波作用下的大幅运动时域求解模型。考虑潜器各运动自由度耦合引起的非线性作用力,潜器受到的内孤立波力采用Morison方程和Froude-Krylov力计算,由内孤立波传播引起的静力变化通过对潜器表面静压强积分计算。通过与计算流体力学数值仿真结果和物理模型试验结果对比验证模型的精度,并计算SUBOFF潜器在两层流中不同潜深、不同航速时迎面遭遇KdV型内孤立波后的运动轨迹和姿态。数值仿真结果表明:内孤立波作用下,位于密度分层界面上方和分层界面处的潜器沿内孤立波传播方向运动,位于密度分层界面下方的潜器逆着内孤立波传播方向运动;垂向上潜器会发生大幅掉深,且先下沉再上浮;不同潜深、航速下潜器表现出不同的运动轨迹和姿态。

下凹和上凸型海洋内孤立波对遥控潜航器的作用力研究

遥控潜航器在海洋环境勘测、钻井支持和水下救援等领域得到了广泛应用。遥控潜航器在陆架和陆坡处工作时很容易遭遇海洋内孤立波(Internal Solitary Waves, ISWs)。海洋内孤立波在传播过程中会诱发水平向和垂向流,从而对正在下放、回收和作业状态的遥控潜航器施加作用力。本文分别利用连续分层e KdV和KdV方程估算2个振幅相近的下凹和上凸型海洋内孤立的流速场,进而利用莫里森公式(Morison’s equation)估算这2个海洋内孤立波对1个遥控潜航器的作用力,比较遥控潜航器在不同类型海洋内孤立波流场中的受力差别。研究表明:下凹和上凸型海洋内孤立波均会对遥控潜航器施加较强的水平向力,且不同类型海洋内孤立波在相同深度上对遥控潜航器施加的水平向力的方向不同;对下凹型海洋内孤立波,遥控潜航器在上、下层所受水平向力的大小相差不大;对上凸型海洋内孤立波,遥控潜航器在下层所受水平向力是上层所受的水平向力的2倍;2种类型海洋内孤立波对潜航器施加的垂向力都较弱。

跃层厚度对内孤立波能量耗散的影响

内孤立波破碎混合是陆架地形上海洋混合过程重要的能量汇,为了探究内孤立波在连续跃层密度分层中能量变化及能量耗散规律,本文使用OpenFOAM建立数值水槽,基于双曲正切曲线设置连续跃层密度分层开展了一系列工况的模拟,针对跃层厚度对内孤立波能量传递及其耗散进行了详细分析。结果表明跃层厚度与跃层处流速剪切存在着负相关关系,随着跃层厚度的增加能量耗散先减小后增大。跃层厚度较小时,跃层处流速剪切强,理查德森数小,易产生开尔文-亥姆霍兹(Kelvin–Helmholtz)不稳定现象;随着跃层厚度的增大,流速剪切减小,理查德森数增大,开尔文-亥姆霍兹不稳定消失;跃层厚度达到临界值后,层结稳定性减小,理查德森数减小,流场的翻转混合过程加强,能量耗散也明显增强。

地球旋转效应对X-型内孤立波间波-波相互作用的影响

本文使用带旋转项的Kadomtsev-Petviashvili(KP)方程,将X-型波作为初始条件,进一步研究地球旋转对其的影响,并简要描述了KP方程和初始X-型波的表达式以及求解KP方程的边界条件和数值方法。从已经观测得到的波-波相互作用的形态中,选择了其中出现频率较高的3种进行研究,并得出演化结果。本文的研究结果可以加深我们对内孤立波动力学的理解,对海洋资源的开发利用和国防建设具有一定的意义。

海洋内孤立波作用下潜体运动响应特性研究

2021年4月印度尼西亚海军“南伽拉402”号潜艇在巴厘岛以北约60海里(111.12km)处发生沉没,分析表明大振幅海洋内孤立波作用可能是事故原因之一。基于大振幅内孤立波eKdV理论与Morison公式建立了内孤立波作用下潜艇的运动学模型,揭示不同内孤立波振幅、潜艇潜深条件下潜艇的运动响应特性,进一步说明内孤立波可能造成印度尼西亚潜艇失事。结果表明:内孤立波对潜艇的运动状态产生巨大影响。垂直方向上潜艇在短时间内产生大幅度掉深,而水平方向上其运动方向在密度界面上或界面处与内孤立波传播方向一致,界面下则相反,且内孤立波产生的垂向力矩可能造成潜艇倾覆。不同波幅、潜深下潜艇表现出不同的运动响应规律。研究表明印度尼西亚潜艇失事可能是潜艇执行任务过程中遭遇了较大振幅内孤立波,导致其发生大幅度、迅速掉深。

东沙海域内孤立波浅化过程及含圈闭涡核内孤立波的反射地震初探

基于地震海洋学数据,通过叠合波形结构与混合参数空间分布,可以较好地分析内孤立波浅化过程与能量耗散、混合增强的关系.在东沙海域的一条地震剖面上,我们观测到了上陆坡深水区(500~1000 m)、浅水区(300~400 m)两个内孤立波波包,有着明显不同的波形特征.浅水区的内孤立波包的3个内孤立波波形复杂,在波核内部呈现杂乱反射特征,可能是含圈闭涡核的内孤立波,估算的耗散率、扩散率分别达O(10-5)W·kg^(-1)、O(10-2.5)m^(2)·s^(-1).该内孤立波包前方,则存在一个第二模态内孤立波.深水区内孤立波包虽然波形相对简单,但诱导的湍流混合强度也较强,形成了内孤立波发育区、陆坡上方厚度达200 m的高耗散率、扩散率区带.在东沙海域上陆坡的深水区、浅水区,内孤立波持续耗散能量,增强了湍流混合.

内孤立波在密度连续变化数值水槽中的模拟方法研究

针对内孤立波模拟中两层流体模型与实际海洋环境存在差异的问题,本文将物理海洋中内孤立波模拟的数值模式延展至海洋结构物载荷分析数值水槽中,提出了一种在密度连续变化数值水槽中对内孤立波的模拟方法。利用非静压平衡的麻省理工学院通用环流模式(MITgcm),构建密度层化模型及地形模型,在真实海洋环境作用下生成内孤立波,将Fluent软件构建的数值水槽入口置于MITgcm计算域内,提取对应位置处MITgcm计算结果作为数值水槽的密度分布形式和边界条件,使用用户自定义函数(UDF)将内孤立波引入数值水槽中。结果表明:内孤立波在数值水槽传播后与MITgcm在对应位置处的水平流速基本一致,等密度线在密度跃层处偏差小;模拟方法能更好地反映实际海洋环境下内孤立波的特征。

基于最小二乘法和支持向量机的海洋内孤立波传播速度反演模型

传播速度是内孤立波的重要参数之一,如何通过光学遥感图像准确快速地获得内孤立波速度是目前需要解决的重要科学问题.本文在实验室建立了模拟内孤立波光学遥感成像系统,开展了系列综合实验,获取实验数据库,并利用最小二乘法和支持向量机两种方法分别建立基于单景光学遥感图像的内孤立波速度反演模型.利用中国南海的MODIS图像和GF-4图像数据对速度反演模型进行精度检验.研究结果表明:最小二乘法内孤立波速度反演模型能够给出回归方程,物理意义更为直观,且在300—399 m水深范围精度更高,而支持向量机内孤立波速度反演模型在水深400—1200 m和83—299 m的范围内精度高.因此两种内孤立波速度反演模型各有优势,都可以应用于真实海洋中内孤立波速度的反演.

内孤立波对海洋工程结构物作用的时空演变研究

针对内孤立波在传播过程中导致海面海水剧烈辐聚和突发性强流,会对海上油气平台、输油管道等海洋结构物造成严重威胁的问题,本文基于高质量的实测数据,通过内波动力模态分解以及Morison方程,研究了内孤立波对小直径圆形桩柱的作用力,包括总作用力、作用力随时间的变化、作用力沿水深的分布以及作用力分量的大小。研究结果表明,桩柱所受的总作用力以第1模态为主导;波谷达到时,对桩柱的作用力会达到最大值,并且作用力的大小都呈现出为先增大后减小的变化趋势;上、下2层流体的拖曳力方向相反,惯性力的方向也是相反的,而在同一层流体中,拖曳力和惯性力的方向也是相反的;在内孤立波经过时,Morison方程计算得到的惯性力没有明显的变化趋势,惯性力相比于拖曳力,惯性力量值小,对总作用力的影响也很小,基本可以忽略不计。本文的研究内容为海洋油气钻井平台的设计提供了参考。

两相流模型在南海内孤立波与沙波相互作用中的应用

为研究内孤立波与沙波的相互作用,本文对基于OpenFOAM的SedWaveFoam求解器进行改进,建立了内孤立波-泥沙运动欧拉两相流模型。在利用试验资料对模型进行验证的基础上,在南海北部典型代表性条件下,模拟分析了500 m水深位置沙波床面上内孤立波作用下的水动力变化和泥沙运动。结果表明,内孤立波逐渐离开沙波时,海底沙波背流面处出现与内孤立波背景流速反向的流速,在内孤立波导致的流场作用下,沙波床面上的泥沙悬起并运动到床面以上的水体中。振幅100 m的内孤立波可以导致床面以上14 m高的位置处出现约0.07 kg/m3的悬沙浓度。

内孤立波与Spar型浮式风机平台耦合作用研究

针对内孤立波与系泊浮式平台的耦合作用问题,本文以单立柱Spar型浮式风机平台为研究对象,研究了平台在内孤立波作用下的耦合运动特性。利用重叠网格技术及自编耦合动力程序,以计算流体动力学求解Navier-Stokes流体控制方程,建立了Spar型浮式风机平台与内孤立波(Internal solitary waves,ISWs)流固耦合作用数值模型。通过系列数值模拟,研究了Spar型浮式风机平台在内孤立波作用下的水平动态载荷和纵荡、横荡规律。研究表明,内孤立波对Spar平台会产生较显著的水平作用力,并产生大幅的水平位移;在水深一定时,同一流体分层比下,随着内孤立波振幅提高,纵荡运动幅值增大;当振幅一定时,随着流体分层比的增大,纵荡幅值减小;通过调整系泊系统,发现非线性系泊系统下平台纵荡幅值要大于线性系泊系统下的情况,即线性系泊系统会低估纵荡运动幅值。

恒春海脊附近第二模态内孤立波的特征研究

以往通过地震海洋学方法发现的大多是第一模态内孤立波,本文在中国台湾岛以南恒春海脊处捕捉到了两个大振幅凸型第二模态内孤立波.利用叠前偏移剖面得到内孤立波的视相速度约为0.7 m·s^(-1),其视传播方向沿地震测线从S到N,总体上满足较大最大振幅的波视相速度也较大的规律.地震海洋学剖面得到的振幅曲线观测值和理论方程计算出的第二模态内波振幅垂向变化理论值之间具有较好的一致性.通过叠前偏移剖面观察该内孤立波细结构的变化,发现在采集过程中,出现反射同相轴后翼变陡、分叉、合并的现象.由于密跃层中心偏离水层中心以及背景剪切流的影响,两个内孤立波尾部发育了高频内波,使得能量耗散增强.此外,第二模态内孤立波的生成和传播特征受到水体层结、黑潮、背景剪切流以及海底地形等多个因素的影响.

内孤立波对海洋结构物与潜体作用机制综述

内孤立波是密度分层水体中产生并传播的一种特殊波动。在这一过程中,如果遇到地形变化复杂的浅海区域,内孤立波会因地形的影响而表现出变形、失稳和破碎,并在海底附近区域产生强烈的紊动混合和能量耗散。其可使海洋结构发生移位或扭曲,也可削弱潜艇的运动稳定性而失去控制。这一系列过程的动态特性一直是国内外学者的研究焦点。该文从物理试验、数值模拟2方面总结海洋内孤立波常见的研究方法,并归纳海洋结构物和潜体在分层强剪切环境下受到内波的作用特性,这对掌握内孤立波特性以及探索海洋资源和海洋工程建设具有一定的工程意义。

海表外强迫效应对连续层化流体中先驱内孤立波生成的影响

移动的海面或海底强迫在共振条件下会向强迫上游周期性地生成内孤立波,这种内孤立波被称为先驱内孤立波。本文利用三维全非线性、全频散的非静力模型NHWAVE,模拟连续分层流体受到海面外强迫作用而产生的先驱内孤立波,研究了正负外强迫效应对先驱内孤立波生成过程和形态特征的影响。结果显示,负效应强迫作用下先驱内孤立波具有更长的生成周期,这与两层流体中的结论相同;在强迫区内部,正效应强迫使水体的等密度面维持较稳定的结构,而当强迫效应为负时,强迫区内水体的等密度面随时间起伏较大。在正负两种效应强迫作用下,流场均维持了逆时针的回流结构,不过在负效应强迫作用下,流场更为复杂。

内孤立波过陆架陆坡地形的数值模拟研究

内波是海洋中普遍存在的波动形式。内孤立波是典型的非线性内波,多发于陆架边缘海,如南海等海域,对陆架海域有重要影响。本文针对内孤立波在陆架地形上的传播问题,先基于弱非线性与全非线性数值模型,模拟了不同振幅、地形高度条件下内孤立波的演化的过程,探讨了动力系数对内孤立波演化过程的影响,对比了两模型的模拟结果在内孤立波演化过程、能量分配以及能量耗散的差异,后分析了南海的动力系数分布特征。结果表明,在内孤立波不发生破碎的情况下,弱非线性模型与全非线性模拟结果相近。当发生破碎过程时,弱非线性模型可准确模拟头波,但无法通过强非线性的破碎过程耗散能量,只能以裂变的方式辐射能量。在弱非线性模型中,随地形高度增加,频散系数减小到零,平方非线性系数由负转正,立方非线性系数绝对值增大一个量级,并主导陆架地形上内孤立波的演化过程。通过对比南海夏季与冬季非线性内波动力系数空间分布,发现内孤立波在传播过程由于夏季平方非线性效应、立方非线性效应与频散效应较强的影响,其在夏季更易发生陡化与裂变,波列发生频率高。

内孤立波的线下线上融合式教学模式

围绕海洋流体中内孤立波知识点,统计五届海洋学专业学员任务单测评数据,分析中尺度现象——内孤立波理论教学中存在的不足,总结出需要改进的问题,进而有针对性地探索线下线上融合式教学模式。该模式坚持学为主体、理实一体的教学理念,采用理实结合、虚实结合的教学方法,尝试在实验实操 + 仿真拓展的教学过程中,重塑学员海洋环境知识体系,加深学员对内孤立波运动特征的认识,教学效果得到显著提升。

圆柱型结构内孤立波载荷实验及其理论模型

在大型重力式密度分层水槽中,对内孤立波与圆柱型结构的相互作用特性开展了系列实验.基于两层流体中内孤立波的KdV,eKdV和MCC理论,建立了圆柱型结构内孤立波载荷的理论预报模型,给出了该载荷理论预报模型中3类内孤立波理论的适用性条件.研究表明,圆柱型结构内孤立波水平载荷包括水平Froude--Krylov力、附加质量力和拖曳力3个部分,可以由Morison公式计算,而内孤立波垂向载荷主要为垂向Froude--Krylov力,可以由内孤立波诱导动压力计算.系列实验结果表明,附加质量系数可以取为常数1.0,拖曳力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为指数函数关系,而且基于理论预报模型的数值结果与系列实验结果吻合.

南海东北部内孤立波包的地震海洋学和遥感研究

在南海东北部东沙环礁附近,内孤立波被大量地观测报道.在该地区内孤立波的传播和演化过程仍然存在许多待解决的问题.利用改进的地震海洋学处理方法对2009年夏的一段海洋勘探地震测线进行了重新处理,获得了50 m水深之下的水层反射图像,发现了包含8个内孤立波的下沉型内孤立波包.遥感仪器中分辨率成像光谱仪(MODIS)图像在该段地震测量的3 h内,捕捉到同一个内孤立波包,经处理分析,获得前5个内孤立波的清晰图像.本文采用了两种方法计算内孤立波相速度,方法一是利用不同的叠前共偏移距道集剖面估算内孤立波的视相速度,并根据MODIS图像上内孤立波的传播方向对其进行校正;方法二是利用地震与MODIS图像联测直接获得传播相速度.将这两种方法得到的相速度分别进行对比,发现它们在数值大体一致.地震海洋学剖面可直接获得内孤立波包中8个内孤立波的特征参数,包括振幅、视半高宽和视波间距.该内孤立波包的最大振幅为117 m,最大视半高宽为1020 m,最大视波间距为4100 m.由于地震采集船和内孤立波之间存在类多普勒效应,且二者前进方向存在夹角,所以利用地震与MODIS图像联测得到的传播相速度,结合MODIS图像所推断的内孤立波传播方向对视半高宽和视波间距进行校正.首波的半高宽与遥感估算的特征半波宽的比值是1.75,接近理论比值的1.763;校正后的真波间距和遥感量测波间距数值基本一致.最后,结合地震观测前后的遥感图像和潮流数据推断这一内孤立波包为Type-b型.结果表明,将地震海洋学和遥感方法结合,可以更好地研究内孤立波的特征.

基于卫星观测的龙目海峡内孤立波传播方向与发生频率研究

内孤立波是稳定层化的海水当中的一种非线性内波,分布广泛。其传播过程中产生的剪切流十分巨大,会使建立在海洋当中的构筑物(如海上钻井平台)产生移动和扭转;同时对舰艇的航行也具有极大的威胁。文章主要对龙目海峡内孤立波的特征参数进行论述,并结合卫星图像总结其发生规律。

弱非线性内孤立波在斜坡上的传播演化特性

采用简化的变系数内孤立波传播方程来描述弱非线性内孤立波在不同坡度斜坡上的传播演化过程.结果表明:弱非线性内孤立波在通过斜坡的传播过程中产生了不同程度的分裂现象,分裂为首波和尾波列.在通过斜坡的传播过程中内孤立波主要受到由地形诱导产生的浅化效应和能量耗散作用.对于非线性较弱的内孤立波,地形导致的浅化效应占主导作用,振幅逐渐增大并趋于稳定,而波速逐渐减小并趋于稳定.在相同的地形条件下,随着初始振幅增大,振幅的增加量减小,波速的减小量增加.随着斜坡坡度的增大,非线性内孤立波在传播过程中受到的能量耗散作用逐渐大于浅化效应,使得内孤立波在传播过程中振幅先增大后减小.当经过临界点(上下层流体深度相同的点)后,内孤立波由下凹型转变为上凸型.