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分层流体中内模式Kelvin波幅非单调性变化特征的理论和实验研究.pdfVIP

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分层流体中内模式Kelvin波幅非单调性变化特征的理论和实验研究.pdf

分层流体中内模式Kelvin波幅非单调性 变化特征的理论和实验研究+ 魏岗1’2 尤云祥1 苏晓冰2 (1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200030; 2.解放军理工大学理学院,南京211101) 摘要 本文通过叠加源(或汇)格林函数的方法,研究了在两层流体的下层水平运动偶极 子的远场波动效应,分析了界面内模式的Kelvin横波波幅随Froude数增大的非单调性变化 特征,类似的特征同样出现于在两层流体的上层运动的点源,它们被认为是一类不确定现象。 考虑与理论相同的条件,本文进一步在拖曳水槽中实验研究了运动小球产生的内波,结果证实 了界面Kelvin波的横波随Froude数非单调性变化是可预测的事实 关键词 分层流体,内波,Kelvin波,格林函数,偶极子 1 引言 在均质无限深静止水面上匀速运动的点源生成的液面波动局限于半角为良一19。28’的V 形域内,这就是著名的Kelvin船行波[1],水面以下运动物体生成的类似的表面波亦称为Kel— vin波r2],而在分层流体表面或内部运动的物体,可产生多种模式的Kelvin波动。 Hudimac[a]首先证明了点源在下层无限深的两层流体上层运动时可以产生两种模式的 了:表面Kelvin波只有一种模式,而内Kelvin波存在无穷多种模式。基于线性势流理论,Ye— 题,研究表明:仅当两种流体的密度差较大、点源临近界面以及点源的运动Froude数接近临界 的结果推广到多层流体系统。此外,Krikorov[10]对三层流体系统中运动点源的内波问题进行 了解析求解。 通常情况下,无论潜体在两层流体的上层或是下层运动,其生成的自由面Kelvin波波幅 主要受到表面模式的控制,界面Kelvin波波幅受到内模式的控制,而两种模式的界面Kelvin ÷ 国家自然科学基金和国防预研基金(51443030193Q,r0601)资助项目。 ·161· 横波波幅随Froude数增加呈非单调性变化‘7’引,Yeungb-Nguyen认为这种变化是非确定的 (见文献[7],图17)。本文通过求解运动偶极子在两层流体界面生成的Kelvin波动问题,使得 在远场的解析理论与实验室模拟具有一定的比拟性,证实了界面Kelvin波的横波随Froude 数非单调性变化是可预测的事实。 图1直角坐标系统 理论模型和远场解 考虑一对源和汇以水平速度U在两层有限深流体系统的下层运动。取相对于源或汇静止 的直角坐标系(O—xyz),如图1所示,其中列平面与两层未扰动的流体界面重合,z轴铅垂 表源;s=2代表汇)。上、下层流体的密度和深度分别用10,,h1和P2,h2表示,总深度h=h1+ h:,并假定系统未受扰动时处于静力学稳定状态,即设10,Pz。假设无粘、不可压缩流体作无 旋流动÷则控制方程可写为 2 v2函‘1’=0,和v2垂‘2’=∑(一1)件IQ3(x一基,y,z一毛) j=1 岛)为Diracdelta函数,Q为源或汇的强度且Q,0。 作小振幅假设,自由面(2=h,)和(z=o))界面上的线化边界条件为 cro①:1’+酸’~蚀11’一0 z=h1 (2) ·162· y(cro掣q-碟’一脚?’)=嘞砂4-鲤’一肿?’z一0 (3) z=0 (4) 西≯=0 z=一h2 (5) (6) 2 其中ar

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