海洋内孤立波与潜体相互作用数值模拟研究

发布时间：2020-06-04 05:26

【摘要】： 海洋内孤立波是一种携带巨大能量的特殊内波,它能够在海洋中长距离传播而保持波形基本不变。当水下航行潜体遭遇这种强非线性的内孤立波时,其稳定性、操纵性甚至安全性会受到很大影响。虽然这一问题的严重性和迫切性已经引起了各国政府和军方的高度重视,但目前所能见到并能够指导实践应用的研究工作还相当少。为响应我国实现海洋强国战略的目标,研究内孤立波与潜体相互作用问题将具有重要的学术意义和实际应用价值。首先,本文在系统的回顾和总结目前国内外有关内波与结构物相互作用研究进展的基础上,基于FLUENT软件平台的二次开发,提出了采用VOF技术追踪两层流体内界面,利用设置造波边界法给定波浪入口条件,辅以数值耗散方法消波,建立具有较强实用性的内孤立波数值水槽的模型,该水槽可以稳定的完成长时间的潜体在内孤波中运动的模拟计算;其次,提出了在所建立水槽中模拟不同潜深的水下固定潜体(矩形和6:1椭圆)遭遇内孤立波过程的数学模型,获得了内孤立波作用下潜体外载荷特性,结果表明潜体位于内孤立波波谷中时受到的内孤立波载荷最为严重,由于几何差异,6:1椭圆的外载荷水动力曲线较矩形的光滑;最后,提出了运用移动网格技术解决悬浮潜体在内孤立波作用下纵摇和升沉两个自由度耦合的运动响应问题,在准确预报强非线性波与运动结构物的相互作用这一难题上取得了突破。结果表明,在内孤立波作用下,潜体的悬浮姿态会发生突变,能在几分钟内做很大幅度的俯仰运动;考虑潜体自身的回复力矩后,潜体的纵倾没有上述大幅度的变化,但表现出了很强的颠簸性。此外,运动潜体的外载荷特性与固定情况也明显不同。应当指出,本文的工作是在内孤立波与水下潜体波体耦合的数值模拟领域所迈出的第一步。本文的研究证实了内孤立波对于水下航行器的安全性是有重要影响的,本文的结论对于潜体的型线优化设计、强度设计等,以及航行中潜体为避免遭受内孤立波危害所采取的操作等可提供科学的指导。
【图文】：

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华南理工大学硕士学位论文2图1-1 中国南海北部内孤立波分布内波可以同时向深海区和浅水区传播相当远的距离，遇到某些特殊地形时，内波还会裂变产生大振幅的内孤立波[4]。大振幅的内孤立波传播过程中会引起海水强烈的幅聚幅散和突发性的强流，对于跨越密跃层的潜艇产生剪切作用，当运动物体(如潜艇和鱼雷等)穿越内孤立波影响区域时，其运动稳定性或运动姿态可能会发生变化，从而改变其运动轨迹，这对海军战场环境的建设和研究是非常重要的。内孤立波对潜艇的影响包括潜艇的“适航性”、“耐波性”、“安全性”及航道航线的选取，潜艇的探测和反探测等。例如，水下航行的潜艇如遇到突然而至的强内孤立波，航行深度就会发生急剧变化。潜艇可能被抛出水面，也可能被死死地压到潜艇的极限深度以下。潜艇的浮沉系统为补偿内波所造成的升降

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速度是一个三角形的近似函数，而不能给出很精确的行波解，给实验带来一定的局限；另一方面，该水槽产生内孤立波时由于扰动会伴随着尾波列的出现。图1-2 内孤立波传播实验设置简明示意图[20]图1-3 内孤立波传播实验设置简明示意图[24]然而，，分层流物理水槽相比表面波水槽复杂很多，配制出稳定的分层流体，要消耗很多时间和经费，为得到质量高的稳定分层流体，需要缓慢的向水槽注入流体，需要十几个小时左右，并且几次试验后，流体分层效果已达不到实验要求，需要换水重新配置。近些年来，计算机的发展使数值方法模拟内孤立波得到迅速发展。Liu[27-28]在 KdV方程的基础上，通过引入地形效应、旋转分量、径向传播等参数，研究了 Sulu 海与 NewYork 湾内波的传播，通过研究不同环境参数对内波传播形态的影响，获得了研究海域
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：P731.22

【参考文献】