下凹內(nèi)孤立波致流場結(jié)構(gòu)及其影響因素的實驗研究

武軍林, 魏 崗, 杜 輝, 徐峻楠

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下凹內(nèi)孤立波致流場結(jié)構(gòu)及其影響因素的實驗研究

武軍林, 魏 崗, 杜 輝, 徐峻楠

(國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院, 江蘇 南京 211101)

為進一步探究海洋內(nèi)孤立波誘導(dǎo)流場對海洋工程結(jié)構(gòu)物以及潛航器的影響, 本文采用重力塌陷方法和粒子圖像測速(Particle Image velocimetry, PIV)技術(shù)在大型分層流水槽中進行內(nèi)孤立波造波以及內(nèi)部流速場測量, 定量分析了下凹型內(nèi)孤立波誘導(dǎo)流場結(jié)構(gòu)及其影響因素。研究表明: 在密度分層流體中, PIV技術(shù)可實現(xiàn)對大幅面內(nèi)孤立波誘導(dǎo)流場的精細測量以及波動結(jié)構(gòu)特征的準確描述; 水平流速在上下層方向相反且在躍層處最小, 其剪切作用在波谷附近最強; 垂向流動在波前和波后分別為上升和下沉流, 兩者流速值在距離波谷1/4~1/2波長位置達到最大; 在相同內(nèi)孤立波振幅條件下, 上下層流體密度差越大、厚度比越小, 則波致流場越強; 隨著振幅增大, 流場結(jié)構(gòu)與KdV、eKdV和MCC理論模型對應(yīng)波幅適用范圍的描述相吻合。

分層流; 內(nèi)孤立波; 粒子圖像測速(Particle Image velocimetry, PIV)技術(shù); 流場特性; 水槽實驗

內(nèi)孤立波作為海洋中的一類典型波動, 其傳播過程中不僅會在海洋內(nèi)部產(chǎn)生大幅度垂向運動, 而且還會誘生突發(fā)性強流[1]。海上測量和海洋遙感結(jié)果表明, 南中國海的內(nèi)孤立波活動頻繁, 且具有分布范圍廣、振幅大、持續(xù)時間長和誘導(dǎo)流速剪切強等特點。大量觀測發(fā)現(xiàn)[2-4], 從呂宋海峽到東沙群島之間海域的內(nèi)孤立波常以向下凹陷波型為主, 不僅發(fā)生頻率高而且波幅大, 其誘導(dǎo)的流速可達2 m/s以上。這類大振幅內(nèi)孤立波對海洋工程結(jié)構(gòu)物以及潛航器航行安全構(gòu)成了嚴重的威脅。

開展內(nèi)孤立波誘導(dǎo)流場結(jié)構(gòu)特性研究是認識其危害性的基本出發(fā)點, 相關(guān)問題已取得許多重要的共識。例如, Hsieh等[5]基于笛卡爾網(wǎng)格法對重力塌陷造波生成的內(nèi)孤立波流場進行了數(shù)值模擬, 指出塌陷深度相對于上下層厚度比對初始流場的影響更大; 高原雪等[6]基于MCC模型對內(nèi)孤立波波致流場進行的數(shù)值分析表明, 水平速度在上下流體層中的垂向衰減很小, 而在密度躍層中的垂向衰減顯著; 王偉等[7]基于KdV和mKdV模型對“平板拍擊”產(chǎn)生的內(nèi)孤立波致流場數(shù)值分析指出, 在兩層流體界面和波谷之間存在“過渡水層”, 其影響范圍隨內(nèi)孤立波振幅增大而增大。另一方面, Cai等[89]通過現(xiàn)場測量和理論比較, 發(fā)現(xiàn)內(nèi)孤立波致剪切流會導(dǎo)致對垂直樁柱作用力和力矩的改變, 同時證實在不同密度躍層條件下小直徑樁柱所受作用力不同。尤云祥等[10]在分層流水槽中測量了下凹型內(nèi)孤立波對平臺張力腿作用的力學(xué)特性, 指出內(nèi)孤立波致流場作用力是海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計過程中必須考慮的重要因素之一。劉碧濤等[11]基于薄殼有限元方法, 對內(nèi)孤立波與深海立管相互作用進行了研究, 發(fā)現(xiàn)立管受到內(nèi)孤立波致流場的水平剪切載荷可引起大幅度的運動響應(yīng), 最大縱向位移可達20倍管徑以上。由此可見,獲得流場的精確結(jié)構(gòu)是有效分析內(nèi)孤立波與結(jié)構(gòu)物相互作用特性的重要前提。目前內(nèi)孤立波致流場的結(jié)構(gòu)研究主要還是基于經(jīng)典模型的理論和數(shù)值分析, 對于在實際分層流環(huán)境中重力塌陷激發(fā)的內(nèi)孤立波流場結(jié)構(gòu), 尤其是精細結(jié)構(gòu)及其隨分層環(huán)境變化的認識仍然十分有限。粒子圖像測速(Particle Image velocimetry, PIV)技術(shù)是一種將光學(xué)成像、圖像處理和計算機技術(shù)相結(jié)合的流動測量技術(shù), 通過對流動顯示圖像的數(shù)值計算不僅提高了單點測量的精度和分辨率, 而且具有獲取流場整體和瞬態(tài)結(jié)構(gòu)的能力, 也為分層流體中內(nèi)孤立波致流場精細結(jié)構(gòu)測量提供了一種有效方法。為此, 本文擬采用PIV技術(shù)在不同分層環(huán)境下對由重力塌陷激發(fā)的內(nèi)孤立波及其波致流場進行測量, 并將測量結(jié)果與KdV、eKdV和MCC理論模型比較, 以期獲得實際分層流環(huán)境中的內(nèi)孤立波致流場的精細結(jié)構(gòu), 深入探討分層環(huán)境條件對流場結(jié)構(gòu)的影響。

1 理論基礎(chǔ)

上述eKdV型方程雖然在一定程度上改善了KdV型方程對大振幅內(nèi)孤立波的描述, 但仍然受限于弱非線性的條件。考慮一類完全非線性和弱色散的MCC型方程, 它可由完全非線性的歐拉方程推導(dǎo), 其理論解為[13]

2 實驗技術(shù)與方法

圖1 實驗裝置示意圖

圖2 典型海洋躍層特征的密度和浮力頻率垂向分布

激光片光裝置采用雙脈沖激光光源, 其功率為10 w、有效照射距離300 cm, 實驗中將其置于水槽底部下方, 通過球面透鏡聚焦后, 將在焦距附近形成的照射區(qū)調(diào)整至待測流場區(qū)域, 并保持示蹤粒子反光性良好。圖像記錄儀采用Pco200 0型雙快門面陣CCD, 其分辨率為204 8×204 8像素、幀率為20幀/秒, 實驗中將其放在垂直于片光照射面的水槽壁面一側(cè), 并將實時記錄的圖像傳入數(shù)據(jù)處理工作站。圖像數(shù)據(jù)處理采用了二維快速傅里葉變換的互相關(guān)函數(shù)計算方法, 同時對初始速度矢量分布進行了修正, 可獲得到速度矢量與等值線圖。

示蹤粒子采用聚苯乙烯顆粒, 其粒徑約為10 μm, 考慮躍層附近由于密度分布不均勻造成粒子懸浮的不確定, 實驗中應(yīng)事先將粒子通過樣本流體進行篩選, 再在制備兩層流體時緩慢注入相應(yīng)的配重粒子, 同時注意保持示蹤粒子分布的均勻性。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 典型流場結(jié)構(gòu)

表1 試驗工況

將速度矢量進行分解, 以獲得水平與垂向速度場的結(jié)構(gòu)與特征, 如圖4所示。由圖4a水平速度結(jié)構(gòu)分布可知, 水平流場在密度躍層位置形成明顯的剪切效應(yīng), 即躍層上方水平速度與內(nèi)孤立波傳播方向一致, 躍層下方水平速度與之相反且小于之, 在躍層位置處水平速度接近為零, 最大水平剪切出現(xiàn)在內(nèi)孤立波波谷所在垂向剖面, 距離波谷區(qū)域越遠, 水平剪切越小。

圖3 內(nèi)孤立波速度矢量和波形結(jié)構(gòu)測量結(jié)果

由圖4b垂向速度結(jié)構(gòu)分布可知, 對下凹形內(nèi)孤立波, 垂向速度呈現(xiàn)在波前為下沉流、波后為上升流以及在波谷處速度接近于零的特點, 且下沉流與上升流均在距離波谷1/4~1/2倍波長附近達到最大值。由于內(nèi)孤立波誘導(dǎo)的垂向速度明顯小于水平向速度, 同時波動的水平跨度相對較大, 故垂向剪切效應(yīng)要比水平剪切弱得多。

圖4 視場激光中心處斷面水平速度u和垂向速度v的時間序列值

3.2 流場結(jié)構(gòu)隨振幅變化

在分層環(huán)境保持不變的條件下, 改變?nèi)肷洳ㄕ穹笮? 利用PIV測量內(nèi)孤立波致流場結(jié)構(gòu)的變化, 由此分析波致流場的特性。

圖6為相同分層條件下內(nèi)孤立波波谷處垂向速度時間序列圖, 由圖可知, 隨著振幅增大, 垂向速度逐漸增大; 在波前垂向流速向下存在極小值, 在波后垂向流速向上存在最大值, 后者較前者絕對值平均大10%以上。

圖5 內(nèi)孤立波波谷斷面處誘導(dǎo)水平速度的垂向分布

圖6 內(nèi)孤立波波谷處垂向速度時間序列

圖7 水平與垂向最大速度比值隨振幅變化

3.3 流場結(jié)構(gòu)隨分層環(huán)境變化

由于受到海水溫度、鹽度和壓力等因素影響, 海洋密度層結(jié)情況不同, 導(dǎo)致對內(nèi)孤立波致流場結(jié)構(gòu)的影響存在差異, 這里考慮流體上下層密度差和厚度比對流場分布的影響。

3.3.1 上下層密度差對流場影響

3.3.2 上下層厚度比對流場影響

圖8 不同密度差條件下隨變化

圖9 不同厚度比()條件下和隨振幅變化

4 結(jié)論

在大型分層水槽中, 采用重力塌陷法進行內(nèi)孤立波造波以及PIV技術(shù)測量內(nèi)部流速場, 結(jié)合KdV、eKdV與MCC等解析理論的速度場分析, 對下凹型內(nèi)孤立波誘導(dǎo)流場結(jié)構(gòu)及其影響因素進行了研究, 獲得的主要結(jié)論如下:

2) 下凹型內(nèi)孤立波在傳播過程中可形成強烈的水平剪切流, 水平流動方向在上層流體中與波的傳播方向一致, 在下層流體中與之相反, 在躍層位置速度趨近于零, 上層流速大于下層, 在波谷附近水平剪切作用最強, 驗證了相關(guān)數(shù)值模擬的結(jié)果[6-7]; 垂向流動在波前為上升流在波后為下沉流, 在波谷前后方向相反, 且距離波谷區(qū)域越遠, 垂向速度先增大后減小, 在距離波谷1/4至1/2倍波長位置附近取得最大值; 小振幅波的水平流場作用顯著, 而大振幅波的垂向流場作用不可忽視。

3) 在相同內(nèi)孤立波振幅條件下, 上下層流體密度差越大、厚度比越小, 則波致流場越強; 厚度比趨近于1時, 波致流場隨振幅變化趨于平緩直至無法形成穩(wěn)定內(nèi)孤立波形, 與理論相吻合。

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(本文編輯: 李曉燕)

Experimental study on the flow field induced by internal solitary waves and its influence factors

WU Jun-lin, WEI Gang, DU Hui, XU Jun-nan

(College of Meteorology and Oceanography, National University of Defense Technology, Nanjing 211101, China)

To study the influence of the flow field induced by internal solitary waves (ISWs) on marine engineering structures and underwater vehicles, in a large-scale gravity-stratified fluid tank, the velocities of a series of ISWs created by gravity collapse were measured using particle image velocimetry (PIV) and its wave-induced flow field and influence factors were quantitatively analyzed. Experimental results show that the PIV technique can realize the fine measurement for the flow field induced by the large-scale solitary wave in the density-stratified fluid. The direction of the horizontal velocity below the wave profile is opposite to the one in the upper-layer fluid and the minimum velocity appears at the pycnocline, whereas the horizontal shear is the strongest near the pycnocline. The vertical flows at the front and rear of the ISWs are the descending and ascending flows, respectively, and achieve their maximums at a position that is 1/4–1/2 times the wavelength away from the trough. The velocity values at the same amplitude increase with increasing differences of density and thickness between the upper and lower layers. Moreover, as the amplitude increases, the flow field structures successively coincide with the description of the KdV, eKdV, and MCC theoretical models in their applicable ranges.

stratified fluid; internal solitary wave; PIV; flow field; experiments in water tank

Apr. 7, 2017

武軍林(1993-), 男, 江蘇鹽城人, 碩士研究生, 研究方向為分層流體動力學(xué), E-mail: wujunlin5252@sina.com; 魏崗,

, 教授, 博導(dǎo), 主要從事海洋環(huán)境、分層流體動力學(xué)等方面的研究, 電話: 025-80830660, E-mail: weigangweigang12@163.com

P731.24

A

1000-3096(2017)09-0114-09

10.11759/hykx20170404001

2017-04-07;

2017-06-26

國家自然科學(xué)基金項目

[National Natural Science Foundation of China, No.11472307; Defense Technology Foundation Project, No. QX2015043104A12002]