有限深密度分层流体中运动物体生成内波的一种等效质量源方法

采用一种等效移动质量源来模拟有限深密度分层流体中运动物体生成内波的体积效应和旋涡、湍流尾迹激发源,结合内波本征值问题及Fourier变换等方法,建立了计算运动物体生成内波垂向位移场的一种理论模型,提出了确定移动质量源速度、回转直径及长度的具体方法.利用该理论模型,对一类典型密度分层流体中运动球生成内波的波系与波形结构,以及波高特征等进行了数值模拟与分析,结果与Robey实验结果符合良好,表明了所建立理论模型的合理与有效性. 关键词： 分层流体 内波 等效质量源     

HgCdTe液相外延薄膜组分分布和内波的产生

液相外延生长中的外延层晶体表面会出现波纹,大大降低了晶体的成材率.本文通过实验测量了同-HgCdTe外延薄膜在不同层厚时的红外透射光谱,证明在外延生长后期的相变层中存在分层流,正是分层流中的内波固化造成了外延层晶体表面的波纹.数学模型和量级估计很好地支持了外延生长中的内波成因论,指出固液密度梯度决定的分层流本征频率N、上下液层相对密度比σ对波纹的产生有决定性影响.     

流体黏度的实验研究

基于落球法和毛细管法测定黏度的原理,利用泊肃叶公式,制作了测量流体黏度的装置.更换不同规格的圆管,黏度的测量范围为10-3~100Pa·s.水和羧甲基纤维素钠溶液黏度的测量值与参考文献报道结果一致.     

小圆管内纳米流体层流流动特性的实验研究

实验研究了水平圆管内CuO-水纳米流体在层流区的流动特性,CuO纳米颗粒的质量分数为0.5%、1%、2%,平均温度为30℃、40℃、50℃,实验研究表明:在本试验范围内,流动阻力的大小同温度的升高呈现降低趋势,而随质量分数的增加变化不大.     

具有密度跃层分层流体中回转体激发内波特性实验

在具有连续密度跃层的分层流体中,对长径比为7:1的回转体在迎水和背水运动下激发体积效应与尾迹效应内波特性开展了系列实验.结果表明,体积效应激发内波属于一种相对于回转体定常的多模态Lee波结构,而尾迹效应激发主控内波为相对于回转体非定常的拟Lee波结构,这是一类由湍流尾迹中大尺度相干结构作为移动源激发的内波结构,在Lee波与拟Lee波之间存在一个与长径比近似为线性关系的临界转捩Froude数Fr_c,当FrFr_c 时拟Lee波为主控内波,而且拟Lee波相关速度Froude数近似为一个常数0.8,其无因次峰-峰幅值随Fr的增大近似线性增大,其中Fr为回转体特征直径Froude数.结果还表明,回转体头部与尾部几何形式并不影响其激发内波临界转捩Froude数Fr_c、 拟Lee波相关速度Froude数及其峰-峰幅值变化特性.     

分层流体中移动动量源生成准二维偶极子涡街特性实验

采用水平移动射流方法模拟移动动量源,实验研究了该移动动量源在密度分层流体中生成准二维偶极子涡街的机理,分析了偶极子涡街的演化特性. 在系列实验基础上,获得了移动动量源在密度分层流体中能够演化为偶极子涡街的(Re,Fr)组合条件. 对不同的Re取值,获得了偶极子涡街无因次形成时间及其无因次涡街平均波长倒数与Fr之间的相关关系,表明它们不依赖于Re数,而与Fr近似为幂指数关系. 关键词： 分层流体 移动动量源 偶极子涡街 涡街形成时间     

水平管油水两相分层紊流流动的数值研究

采用VOF模型对水平管油水两相分层流动进行了数值模拟,分析了两相表观速度以及粘度、密度等物性参数对截面相含率和压降的影响,计算结果表明:截面相含率主要由两相表观速度比决定,受粘度和密度等物性参数的影响较小;而压降受两相表观速度和物性参数的影响都较大。     

非水平直圆管中黏性流体层流流量公式的推导及实验验证

通过牛顿粘滞定律和修正后的伯努利方程对非水平直圆管中黏性流体作层流运动时的流量公式进行了推导。指出将泊肃叶公式中的压强视作广义压强,则文中的推导公式与泊肃叶公式完全一致。说明泊肃叶公式可以用来求解非水平直圆管中黏性流体作层流运动时的流量。本文通过实验验证了推导公式。     

内孤立波沿缓坡地形传播特性的实验研究

以南中国海东北部海域底部缓坡地形为背景, 在大型重力式分层流水槽中模拟了下凹型内孤立波沿缓坡地形传播过程中的浅化、破碎、分裂等现象, 利用分层染色标识方法和多点组合探头阵列技术对内孤立波沿缓坡地形演化特征进行了定性分析和定量测量. 实验表明: 浅化效应使内孤立波传播速度减小, 对大振幅内孤立波具有抑制作用, 对小振幅波具有放大效应; 浅化效应可导致内孤立波的剪切失稳及破碎, 还可导致大振幅内孤立波的分裂. 利用Miles稳定性理论可定性描述内孤立波沿缓坡地形传播时发生不稳定状态的位置, 实验结果与理论分析相符合. 关键词： 分层流 缓坡地形 内孤立波 不稳定性     

含孔隙分层半空间中瑞利波的传播特性研究

为了研究含孔隙介质分层半空间中瑞利波的传播规律,分析孔隙介质参数对瑞利波频散曲线的影响,本文进行了数值模拟研究。采用传递矩阵算法,计算了含孔隙分层半空间中一定频率范围内瑞利波所有模式的频散及激发强度曲线,并与均匀弹性固体分层半空间情况作了类比分析,在含孔隙覆盖层的两层模型和含低速孔隙夹层的三层模型下,详细研究了孔隙度、渗透率、层厚度等参数对瑞利波各模式的影响,发现孔隙度及层厚度的变化对频散曲线影响较大,而渗透率的变化对频散曲线影响较小。     

A set of Boussinesq-type equations for interfacial internal waves in two-layer stratified fluid

Many new forms of Boussinesq-type equations have been developed to extend the range of applicability of the classical Boussinesq equations to deeper water in the study of the surface waves. One approach was used by Nwogu (1993. J. Wtrw. Port Coastal and Oc. Eng. 119, 618--638) to improve the linear dispersion characteristics of the classical Boussinesq equations by using the velocity at an arbitrary level as the velocity variable in derived equations and obtain a new form of Boussinesq-type equations, in which the dispersion property can be optimized by choosing the velocity variable at an adequate level. In this paper, a set of Boussinesq-type equations describing the motions of the interfacial waves propagating alone the interface between two homogeneous incompressible and inviscid fluids of different densities with a free surface and a variable water depth were derived using a method similar to that used by Nwogu (1993. J. Wtrw. Port Coastal and Oc. Eng. 119, 618--638) for surface waves. The equations were expressed in terms of the displacements of free surface and density-interface, and the velocity vectors at arbitrary vertical locations in the upper layer and the lower layer (or depth-averaged velocity vector across each layer) of a two-layer fluid. As expected, the equations derived in the present work include as special cases those obtained by Nwogu (1993, J. Wtrw. Port Coastal and Oc. Eng. 119, 618-638) and Peregrine (1967, J. Fluid Mech. 27, 815-827) for surface waves when the density of the upper fluid is taken as zero.     

Experimental investigation of the generation of large-amplitude internal solitary wave and its interaction with a submerged slender body

A principle of generating the nonlinear large-amplitude internal wave in a stratified fluid tank with large cross-section is proposed according to the‘jalousie’control mode.A new wave-maker based on the principle was manufactured and the experiments on the generation and evolution of internal solitary wave were conducted.Both the validity of the new device and applicability range of the KdV-type internal soliton theory were tested.Furthermore,a measurement technique of hydrodynamic load of internal waves was developed.By means of accurately measuring slight variations of internal wave forces exerted on a slender body in the tank,their interaction characteristics were determined.It is shown that through establishing the similarity between the model scale in the stratified fluid tank and the full scale in the numerical simulation the obtained measurement results of internal wave forces are confirmed to be correct.     

三层流体界面内波的二阶Stokes解

以小振幅波理论为基础，利用摄动方法研究了三层密度成层状态下的界面内波，求得了三层成层状态下各层速度势的二阶渐近解及界面内波波面位移的二阶Stokes解.结果表明：一阶解为正弦波解，与传统线性理论的结果相一致；二阶解描述了界面波的二阶非线性修正及两界面波之间的非线性相互作用；一阶解及二阶解都依赖于各层流体的厚度及密度.Umeyama导出的理论结果为本文的特殊情形. 关键词： 三层密度成层流体 内波 二阶Stokes解 小振幅波理论     

有限深两层流体中内孤立波造波实验及其理论模型

将置于大尺度密度分层水槽上下层流体中的两块垂直板反方向平推, 以基于 Miyata-Choi-Camassa (MCC)理论解的内孤立波诱导上下层流体中的层平均水平速度作为其运动速度, 发展了一种振幅可控的双推板内孤立波实验室造波方法. 在此基础上, 针对有限深两层流体中定态内孤立波 Korteweg-de Vries (KdV), 扩展KdV (eKdV), MCC和修改的Kdv (mKdV)理论的适用性条件等问题, 开展了系列实验研究.结果表明, 对以水深为基准定义的非线性参数ε 和色散参数μ, 存在一个临界色散参数μ₀, 当μ < μ₀ 时, KdV理论适用于ε ≤μ 的情况, eKdV理论适用于μ < ε ≤√μ 的情况, 而MCC理论适用于ε > √μ 的情况, 而且当μ ≥μ₀ 时MCC理论也是适用的.结果进一步表明, 当上下层流体深度比并不接近其临界值时, mKdV理论主要适用于内孤立波振幅接近其理论极限振幅的情况, 但这时MCC理论同样适用.本项研究定量地表征了四类内孤立波理论的适用性条件, 为采用何种理论来表征实际海洋中的内孤立波特征提供了理论依据. 关键词： 两层流体 内孤立波 双板造波 临界色散参数     

拖曳体激发内波时空特性实验及其理论模型

在具有密度跃层的分层流体中,采用沿水槽中纵剖面对称布置电导率探头阵列的方法,对1个球体和2个不同长径比细长体在拖曳运动下激发内波的时空特性进行了系列实验.结果表明:存在一个与长径比近似为线性关系的临界Froude数Frc,当FrFr_c时,内波相关速度均与物体运动速度一致,体积效应内波为主控内波,内波波高均随拖曳速度增大而先增大后减小,Lee波峰值对应速度随长径比增大而增大;当FrFr_c时,内波相关速度均小于物体运动速度,其相关速度Froude数Fr_(iw)均在0.43—1.18之间的一个条带内变化,尾迹效应内波为主控内波,内波波高均随拖曳速度增大而近似线性增大.此外,从波形结构上看,体积效应内波关于水槽中纵剖面是对称的,而尾迹效应内波关于水槽中纵剖面是不对称的.结合上述实验结果,在已有针对拖曳球产生内波的等效源理论模型基础上,针对体积效应内波,提出了不同长径比模型的等效源移动速度和体积的设置方法;针对尾迹效应内波正对称和反对称这一特性,提出了正对称组合源和反对称组合源理论模型及其参数设置方法.所得计算结果在波高、波形结构和波系分布上与实验结果符合良好,表明了所提出的理论模型及其参数设置方法的合理性和有效性.     

Over-reflection of travelling internal waves in a rotating stratified fluid

Summary It has been known for many years that waves of different kind propagating in a fluid and incident on a mean flow localized shear layer can exhibit, in the linear theory, a reflection coefficient larger than unity. When this phenomenon takes place the wave is said to be over-reflected at the shear layer. In this paper the over-reflection of inertial-gravity waves in a stratified rotating fluid in horizontal sheared motion is studied by making use of the constancy of the net vertical energy flux associated with the wave field. It is found that over-reflection can take place if some physical conditions, explicitly evaluated, are locally satisfied in the fluid. Such conditions are discussed and a comparison is carried out with the same phenomenon in a nonrotating system.

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Riassunto Si sa da molti anni che la teoria lineare di onde di diversa natura, propagantesi in un fluido ed interagenti con uno strato localizzato di shear, prevede, in alcuni casi, un coefficiente di riflessione maggiore dell'unità. Questo fenomeno prende il nome di super riflessione. In questo articolo si studia la super riflessione delle onde gravito-inerziali in un fluido stratificato in moto orizzontale con la velocità dipendente dalla sola coordinata verticale. Lo studio è portato a termine servendosi della condizione di continuità e costanza del flusso netto verticale di energia associata al campo d'onda. Si trova che la super riflessione avviene se sono soddisfatte alcune condizioni fisiche che sono esplicitamente determinate: tali condizioni sono inoltre discusse in dettaglio ed i risultati sono confrontati con quelli, classici, relativi alla propagazione di onde interne nei fluidi stratificati in assenza di rotazione.

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Резюме В течение многих лет известно, что линейная теория волн различной природы, которые распространяются в жидкости и взаимодействуют с локализованным пограничным слоем, предсказывает, что в некоторых случаях коэффициенты отражения могут превьщать единицу. Зто явление носит название супер-отражения (сверх-отражение) на пограничном слое. В этой статье исследуется супер-отражение инерциальной гравитационной волны в стратифицированной вращающейся жидкости в случаэ горизонтального движения со скоростью, зависящей только от вертикальной координаты. При рассмотрении учитывается постоянство результирующей вертикальной энергии, связанной с полем волны. Получено, что сверх-отражение может иметь место, если локально в жидкости выполняются некоторые физические условия. Проводится обсуждение этих условий и полученные результаты сравниваются с классическими результатами по распространению внутренних волн в стратифицированной жидкости в отсутствии вращения.