三维数值波浪水槽内孤立波特性

紊动能κ 与紊动能耗散率ε 需满足如下输运 方程 ：
， ： ＿ 作者简介 ：李水娟 （ 女， 硕士研究生 ， 研究方向为计算水力学 ， １ ９ ８ ８ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｓ ａ ｒ ｋ ９ ３＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ －） ｐ ， ： 通讯作者 ：王玲玲 （ 女， 教授 、 博导 ， 研究方向为计算水力学 、 环境水力学等 ， １ ９ ６ ６ Ｅ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｎ ｌ ｉ ｎ ｌ ｉ ｎ ｈ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ －） －ｍ ＠ｈ ｇ ｇ ｇ
２ １ ３ ｅ １ ３ ３ １ １ ２ ２ ｉ １ ２ ｅ
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１
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（ ） ３ （ ｕ ｕ ｕ ｕ ｕ １ ３ ３ ３ ｉ） ＋ ＋ ＝ ν ｅ ｘ ｘ ｔ ｘ ｘ ３ １ ｉ １
了数值水槽模拟 海 洋 内 孤 立 波 ， 并比较了设置边 界和双板造波这 两 种 造 波 方 法 ， 但未分析内孤立 波所产生的流速 、 紊动等水动力特性 。 鉴此 ， 本文 基于不可压 缩 粘 性 流 体 的 Ｎ ａ ｖ ｉ ｅ ｒ Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ方 程 和 － 结合 标 准 紊 流 模 型 ， 建立了规则地形 ＶＯ Ｆ 方法 ， 下可有效模拟弱非线性内孤立波的分层流三维数 值波浪水槽 ， 深入 研 究 了 内 孤 立 波 传 播 过 程 中 流 并分析了紊动特征参数 ， 为利用数值 速三维图象 ， 波浪水槽研究内孤立波能量特性分布提供了可靠 的方法与手段 。
２ ／ ； ； 系数ν ｍ ｓ Ｐ ａ ｐ 为 压 力， ｔ 之 和， ρ 为 水 体 密 度， ３ ２ ／ ／ ｋ ｍ； ｍ ｓ。 ｇ ｇ 为重力加速度 ，
１ 规则水槽中内孤立波的数值生成
， 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ １ １ ０ ２ ４ ２ ０ １ １ １ ２ １ ３ － － － － ） 基金项目 ：国家自然科学基金资助项目 （ ５ １ １ ７ ９ ０ ５ ８
第３ ０卷 第７期 ２ ０ １ ２年７月 （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ７ ７ ０ ９ ２ ０ １ ２ ０ ７ ０ ０ ９ ６ ０ ４ － － －
水 电 能 源 科 学 Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ０Ｎ ｏ ． ７ Ｊ ｕ ｌ ． ２ ０ １ ２
三维数值波浪水槽内孤立波特性分析
１ ， 李水娟 ! 余真真２， 罗龙洪３， 王玲玲１
（ １．河海大学 水利水电学院 ，江苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ８； ２．黄河水资源保护科学研究所 ，河南 郑州 ４ ５ ０ ０ ０ ４； ） ３．江苏省水利工程规划办公室 ，江苏 南京 ２ １ ０ ０ ２ ９ 摘要 ：内孤立波对密度层化水体的水动力及分层特性具有显著影响 。 为揭示内孤立波特性 ， 建立了规则地形 下可有效模拟弱非线性内孤立波的分层流三维数值波浪 水 槽 ， 研究了内孤立波在规则地形条件下的传播， 成 功捕捉到了水体表面存在的辐聚流和辐散流 ， 探讨了内孤 立 波 传 播 过 程 中 流 速 、 紊动能和紊动能耗散率的分 布与演化特性 ， 为进一步利用数值波浪水槽研究内孤立波 能 量 特 性 分 布 、 改善层化水体的水生态环境提供了 可靠的方法与手段 。 关键词 ：数值波浪水槽 ；内孤立波 ；流速特性 ；紊动能 ；紊动能耗散率 中图分类号 ： ＴＶ １ ３ ９ ． ２ 文献标志码 ：Ａ
为主要研究 手 段 。 近 年 来 ， 国内外许多学者建立 了数值模型用于 揭 示 内 孤 立 波 生 成 传 输 的 机 理 、 研究波浪与建筑物的相互作用 。 其中对强跃层情 况下内孤立波的模拟大多采用二维分层模式
［ ２］
或
３］ ， 三维分层模式 ［ 两种分层模式可模拟内孤立波
生成过程和以非 内 孤 立 波 形 式 进 行 传 播 的 特 性 ， 但因引入静压假 定 ， 故通常不能描述内孤立波的
４］ 非静压频散特 性 。 陈 钰 等 ［ 基于 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ ＮＴ 建 立
） ［（ ｕ ｕ ｕ ｐ （ ） ２ ＋ ν ＋ － ］ ［ ］ ） （ ｘ ｘ ｘ ） ｘ ｘ ρ （ ｕ ｕ ｕ ｕｕ ） ＋ ν ＋ ＝ ＋ ］ ｘ ｘ ） ｔ ｘ ｘ ［ （ ｕ ｕ ｕ ｐ ２ ν ＋ ν ＋ － ］ ｘ ） ｘ ｘ ） ｘ （ ｘ ［ （ ｘ ρ
［（
３
＋ ）］
３
ｕ ｕ ２ ３ ＋ ν ｅ ｘ ｘ ｘ ３ ２ ２
［（
ｐ ν ＋２ － －ｇ ）］ ｘ ）ρ ｘ （ ｘ
ｅ ３
ｕ ３
（ ） ４ 式中 ， ｕ ｕ ｕ ｚ 方 向 的 速 度 分 量， ｙ、 １、 ２、 ３ 分 别 为 ｘ、 ／ ； 展 向 和 垂 向， ｍ ｓ ｘ、 ｚ 分别 为 内 波 传 输 方 向 、 ｙ、 ； ｍ； ｔ 为时间 ， ｓ ν ｅ 为 分 子 粘 性 系 数ν 与 紊 动 涡 粘
第３ ０ 卷第 ７ 期
李水娟等 ： 三维数值波浪水槽内孤立波特性分析
·ຫໍສະໝຸດ Baidu ７·
温度 、 盐度 ） 分层型水体中 ， 普遍存在 在密度 （ 内孤立波运动 ， 它对流体的水动力及密度分布与 演化起着至关重要的作用 。 由于密度分层流体实 精度难以控制 ， 因此 验室制作及试验难度均较大 ， 密度层化流体中内孤立波运动大多以数值水槽
［ １］
１． １ 控制方程 采用数值水槽 生 成 内 孤 立 波 ， 控制方程为笛 卡尔坐标下三维不可压缩流体的连续方程和动量 方程 ， 即： ／ （ ） ｕ ｘ ｉ ＝ １， ２， ３ １ ｉ ｉ ＝０ （ ｕ ｕ ｕ ｕ ｕ １ １ １ １ ｉ） ν ＋ ＋ ＝２ ＋ ν ｅ ｅ ｘ ｘ ｔ ｘ ｘ ｘ ｉ １ ２ １ ２