海洋孤立子内波及其对声传播影响的数值研究

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内波是海洋中普遍存在的一种运动,在全球各地的沿海区域经常发生。其中孤立子内波是一种具有较大的振幅,携带巨大能量的内波,对海工设施以及潜艇航行等都有严重的威胁。因此,对于内波的预报工作就尤为重要。对于内波参数预报的研究主要分为内波的生成、传播和演化规律相关的流场方面研究以及内波参数预报方面的研究两方面。声学方法是一种重要的预报方法,内波对声传播影响的研究是声学方法预报内波的基础和重点。因此本文主要对孤立子内波的流场以及内波对声传播的影响开展研究。相比于实验和现场观测的成本高、局限性大等缺点,本文采用数值模拟进行研究。在理论研究中一般将内波简化为上下两层流体之间的波动,可以采用数值模拟的两相流模型。格子Boltzmann方法作为一种介观方法,相比目前常用的有限体积法、有限差分法等方法计算流场之外,该方法还可以进行两相流-声耦合,并且该方法在求解声场时无需求解泊松方程,具有低弥散、低耗散的优点,十分适合声场的计算。本文采用格子Boltzmann方法对内波进行模拟,并对内波影响下的声场进行研究。研究主要分为如下三部分:首先,利用基于相场理论的格子Boltzmann两相流模型对静态液滴、运动液滴、运动气泡等现象进行模拟,并且利用驻波算例对模型的有效性进行验证,证明本模型可以有效地捕捉驻波的速度分布,密度分布,振幅衰减等特征,以上模拟结果均与已有文献的结果良好吻合。然后,利用模型建立数值水槽,通过重力塌陷法生成内波。对所产生内波的流场进行验证,将波形与理论值进行对比,对运动内波的波形与其他方法的数值模拟结果进行比较,对不同塌陷高度所产生内波的振幅和速度与理论值进行对比。通过运动内波的对比验证可得本文模型具备模拟运动内波的能力。最后,通过在流域内施加平面波声源和点声源,从声压角度研究内波对声场的影响。对平面波分别从流场顶部、左侧入射和点声源位于内波正上方三种情况以及内波对不同波长声源的影响进行研究,对于简单情形能够得到内波的振幅、位置等信息。
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