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。

密度连续变化水体内孤立波数值模拟研究

针对内孤立波数值模拟研究,绝大多数学者采用忽略密度跃层厚度的两层流体模型进行分析研究.从海洋实际物理环境来看,内孤立波形成的两大因素为海水稳定层化和存在扰动,且密度层化是内孤立波存在的必要条件,显然这种两层流体模型不能完全表征实际海洋环境下内孤立波的真实特性.为了还原真实海洋环境下的内孤立波,亟待开发一套考虑密度连续变化的内孤立波数值模型.基于雷诺时均Navier-Stokes方程,引入密度输运方程,将内孤立波理论解作为初始场,建立了密度连续变化内孤立波数值模型,并对其合理性进行了验证.结果表明,所建模型在不同上下层水深比和不同波高条件下,均能造出符合理论解与传播演变规律的内孤立波.通过引入有效势能概念,将有效势能为99.8%总势能所对应的波长作为有效波长,讨论了网格尺寸与有效波长的关系,推荐内孤立波模拟的水平向空间步长取有效波长的1/80,垂向空间步长取波高的1/15.基于所开发的模型,展开了密度连续变化模型与两层流体模型的对比研究,结果表明:两层流体模型忽略了实际海洋环境中密度跃层的厚度,会导致其高估实际海洋环境下内孤立波的传播速度、能量耗散及波高衰减.密度连续变化水体内孤立波模型能更好地反映实际海洋环境下内孤立波的各项特性.