弱非线性内孤立波在斜坡上的传播演化特性
上海交通大学 三亚崖州湾深海科技研究院,海南 三亚 572000; 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室, 上海 200240
Propagation Evolution Characteristics of Weakly Nonlinear Internal Solitary Waves on Slopes
Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai Jiao Tong University, Sanya 572000, Hainan, Chin; AState Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
通讯作者: 陈 科,男,助理研究员,电话(Tel.):13795293775;E-mail:raulphan@sjtu.edu.cn.
责任编辑: 陈晓燕
收稿日期: 2020-05-3
基金资助: |
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Received: 2020-05-3
作者简介 About authors
郅长红(1991-),女,河北省邢台市人,博士生,从事内孤立波理论与数值研究
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.
关键词:
The propagation equation of variable-coefficient internal solitary waves was used to describe the propagation and evolution of weakly nonlinear internal solitary waves (ISWs)on slopes with different slopes. The results show that weakly nonlinear ISWs suffer from fission during the climbing process and split into the prominent wave and the trailing wave train. The ISWs are mainly influenced by the shoaling effect and the energy dissipation caused by terrain induction. For the ISWs with weak nonlinearity, the shoaling effect caused by topography is dominant, and causes the increase in wave amplitude and the decrease in wave speed. The wave amplitude and the wave speed, meanwhile, tend to be stable. Under the same terrain condition, as the initial wave amplitude increases, the increase in wave amplitude decreases, and the decrease in wave speed increases. As the slope increases, the energy dissipation effect of the nonlinear internal solitary wave in the propagation process is gradually greater than the shoaling effect, which makes the wave amplitude of the internal solitary wave increase first and then decrease in the propagation process. The ISWs change from concave to convex as the wave passes over the turning point (where the depth of the upper layer is the same as that of the lower layer).
Keywords:
本文引用格式
郅长红, 陈科, 尤云祥.
ZHI Changhong, CHEN Ke, YOU Yunxiang.
海洋内孤立波是在密度层化海洋内部一种常见的波动,尤其发生在近海沿岸及海峡周围.Cai等[1]在中国南海发现具有稳定波峰的内孤立波,这些内孤立波周期长、波高大,有的甚至能达到100 m,于是当这些携带了巨大能量和动量的内孤立波传播至陆架海域时,会对近岸海洋结构物造成巨大的动载荷,从而危害其生产和生存安全[2,3,4,5].在军事领域,海洋内波导致的密度面脉动能影响水下声波的传播,严重影响水下目标的探测和定位,甚至引发潜艇失控等重大事故.在民用上,内波频发对海上作业平台和水下生产设备也会造成巨大的影响.我国南海北部海域地形复杂且密度垂向层化特征明显,是内波频发的海域,为保障海上作业安全和规避可能的海下作业的风险,深刻理解在南海海域内波的生成演化传播机制具有重大的意义.
本文采用变系数KdV(Variable-Coefficient Korteweg-de Vries, vKdV)方程来模拟内孤立波在缓坡上的传播演化过程.盛立等[14]的研究结论表明平坦地形下常系数的KdV方程适用于弱非线性内孤立波的传播演化.故本文采用KdV的解作为初始波,并用vKdV方程数值模拟弱非线性的内孤立波的在斜坡上的传播演化过程.因此本文中设计了两种坡度的斜坡,用以研究弱非线性内孤立波在斜坡上传播时的演化特性,讨论了斜坡的坡度对弱非线性内孤立波传播的影响.除此之外,对弱非线性内孤立波在经过斜坡后的演化波进行深入的研究.通过本文工作,希望能揭示在较为复杂地形上内孤立波的传播规律.
1 理论模型
考虑有限深两层流体中内孤立波在斜坡上的传播演化问题.假设两层流体均是不可压缩且无旋的理想流体.建立直角坐标系
距离为常数
式中:t为时间;g为重力加速度;ζ为两层流体界面的垂向位移;带星号的量表示无因次物理量.
首先定义上、下两层流体中水平速度沿深度方向积分的平均速度:
Choi等[15]提出了平坦地形下的MCC (Miyata-Choi-Camassa)方程,用以描述强非线性内孤立波.当在有地形的情况下,通过改变MCC控制方程中的底部边界条件和界面水动力条件得到:
取地形函数
在弱非线性地形条件下,假定内波是弱色散和中等非线性的,即满足
若直接采用式(10)和(11)来模拟内孤立波在斜坡上传播演化过程,尤其是地形较为复杂时,在进行数值时会遇到Kelvin-Helmholtz不稳定性问题,从而增加了计算的工作量.因此,若能对其进行简化,化为只与界面位移有关的单一方向模型,将大大提高大尺度范围的计算效率.保留O(ε)的平方非线性项,最终式(10)和(11)可化为变系数KdV方程:
KdV方程的内孤立波解为
vKdV方程在文献[16]中也有提及.
2 结果与分析
2.1 初始条件
对式(12)进行数值计算时,对于空间以及时间上分别采用有限差分法和四阶Runge-Kutta数值离散方法.初始波为KdV方程的定态解(式(14)),其无因次振幅分别为a/h1=-0.164, -0.237, -0.3105.本文在对vKdV方程进行数值模拟时采用与黄文昊等[8]实验中相同的初始条件,如图1所示,数值水槽的无因次全长L/h1=200,水深h=1.0 m,上、下层流体深度比为1∶4.内孤立波的无因次初始位置为x0/h1=50,表1中给出了具体的内孤立波传播演化初始条件.网格尺寸大小为Δx=0.1,Δt=0.005.这里设计了两种坡度δ=1/10和7/50的斜坡,不同坡度是通过调整斜坡区域的垂直高度而保证水平方向的长度不变得到的.
图1
表1 内孤立波传播演化初始条件
Tab.1
上、下层 深度比 | 振幅 | 坡度 | 初始波 位置x/h1 | 理论传 播模型 | 色散性 | 非线性 |
---|---|---|---|---|---|---|
1∶4 | -0.1640 | 1/10 | 50 | vKdV | 弱 | 弱 |
-0.2370 | 7/50 | |||||
-0.3105 | - |
2.2 弱非线性内孤立波在斜坡上的传播演化
内孤立波的结果fv
图2
图2
Fig.2
Propagation evolution characteristics of internal solitary waves on slope at
图3所示为
图3
图3
Fig.3
Propagation evolution characteristics of internal solitary waves at different amplitudes on slope at
图4所示为a/h1=-0.3105 的内孤立波在坡度为7/50斜坡上的传播演化过程.数值结果是由vKdV (式(12)) 模型传播定态弱非线性内孤立波(式(14))计算得到.与坡度为1/10的情况相比,在上游形成的突起幅度明显变大(图4(c)),且在上游形成振幅较大的尾波列,首波不再对称.由图4(a) 和4(b) 能清楚地看到在较大坡度的斜坡的作用下振幅随时间的变化关系.与
图4
图4
Fig.4
Propagation evolution characteristics of internal solitary waves on slope at
弱非线性内孤立波在通过斜坡传播时的演化特性与波受到由下层流体深度减小而导致的浅化效应以及在与斜坡相互作用下的能量耗散作用有关.此时由于上下层流体深度的变化导致一系列尾波的产生,使得内孤立波振幅减小,而浅化效应使振幅增大.斜坡坡度越大,非线性越强,作用于内孤立波上的能量耗散作用逐渐超过浅化作用,故而呈现出振幅先增加后减小的趋势,当内孤立波经过临界点后,波形由下凹型变为上凸型,但演化后的波仍然能用KdV理论来表征.
3 结论
在模拟弱非线性内孤立波在斜坡上的传播演化时,vKdV方程更为简便高效,能适用于大部分常见的内孤立波.采用vKdV方程对弱非线性内孤立波建立了相应的数值计算模型模拟并研究其在不同坡度的斜坡上的传播演化特性,主要结论如下:
(1) 当斜坡坡度较小时,弱非线性内孤立波经过斜坡上的传播演化时其受到的浅化效应大于能量耗散作用,振幅逐渐增加直至在平坦区域趋于稳定,且随着斜坡坡度的增加,该现象愈加明显.内孤立波在斜坡上传播时会形成尾波列,尾波的振幅会随着斜坡坡度的增加而增大.
(2) 在相同的地形条件下,非线性越强的内孤立波受到的来自斜坡的作用力越大,阻碍作用越明显,表现为振幅越大的内孤立波在传播过程中振幅的增加量越小,波速的减小量越大.随着斜坡坡度的增大,弱非线性内孤立波在传播过程中受地形因素导致的能量耗散作用逐渐超越浅化作用,因此内孤立波在传播过程中表现出振幅先增加后减小的特性.当在斜坡传播经过临界点后内孤立波由下凹形转变为上凸型,且在上游产生了一系列振幅逐渐衰减的尾波列.
参考文献
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