实尺度内孤立波近岸动力过程大涡模拟研究

Internal solitary waves (ISWs) ubiquitously exist in stably stratified water bodies in nature. The breaking of ISWs at continental shelves or littoral zones will cause intense vertical mixing of the stratified fluid. The temperature field, nutrition and plankton can be redistributed and the water environment will be affected. Strong shear flow occurs during ISW breaking and the safety operation of the offshore engineering works can also be affected. As a result, it is of great significance to carry out research on the offshore dynamic process for field-scale ISWs, especially to study the breaking mechanisms, which has both theoretical significance and application values. In this proposal, large-eddy simulation (LES) will be employed to build a three-dimensional numerical model to study the offshore dynamics of field-scale ISWs, in which MPI technique will be applied to parallelize the numerical algorithm and the immersed boundary method (IBM) will be used to describe the complex bottom boundary. It is expected that the offshore dynamics of the ISW evolution can be revealed, breaking mechanism can be obtained, the universal theory regarding breaking field-scale ISWs can be constructed and the environmental and engineering impact resulted from ISW breaking will be simulated and forecasted. This research can provide theoretical references for coastal circulation models and give some theoretical basis to both the design of offshore engineering and offshore water environmental protection.

内孤立波是天然分层水体中常见的水动力现象。内孤立波在陆架、湖泊沿岸带等近岸水域的破碎能够引起层结水体的强烈垂向混合，从而改变温度场、营养盐和浮游植物的分布,对水环境产生影响；内孤立波在破碎时产生较强的剪切流，对沿岸水利工程的安全稳定性也会产生影响。因此对真实尺度内孤立波近岸动力特性，特别是对内孤立波的破碎机理展开深入研究对近岸带水环境和工程灾害预测具有重要的理论意义和应用价值。本项目采用大涡模拟技术建立实尺度内孤立波三维数值模型，采用MPI并行计算技术加速计算效率，利用浸入边界法处理底部复杂地形边界，对实尺度内孤立波的近岸动力过程展开数值模拟研究。本项目可揭示实尺度内孤立波近岸区域的演变规律，获取相关破碎机理；构建实尺度内孤立波近岸破碎的一般性理论；对内波破碎所致环境效应和工程影响进行模拟预测。研究成果可为近海环境流体模型提供理论参考，也可为近岸带工程设计和水环境保护提供实用的理论依据。

内孤立波是天然分层水体中常见的水动力现象。内孤立波在陆架、湖泊沿岸带等近岸水域的破碎能够引起层结水体的强烈垂向混合，从而改变温度场、营养盐和浮游植物的分布,对水环境产生影响；内孤立波在破碎时产生较强的剪切流，对沿岸水利工程的安全稳定性也会产生影响。因此对真实尺度内孤立波近岸动力特性，特别是对内孤立波的破碎机理展开深入研究对近岸带水环境和工程灾害预测具有重要的理论意义和应用价值。本项目采用基于MPI并行计算的大涡模拟技术建立实尺度内孤立波三维数值模型，利用浸入边界法处理底部复杂地形边界，开展了内孤立波的近岸动力特性数值模拟研究。通过改变雷诺数的变化范围研究了从实验室尺度到湖泊、浅海尺度的内孤立波的近岸动力过程，重点研究了不同尺度下凹型及上凸型非线性内孤立波浅水演变及破碎混合特性，获得了内孤立波在斜坡地形上的演变规律、破碎形态、能量转化特性、雷诺数效应、三维效应等重要特征，最终提出了内孤立波的破碎准则、破碎位置、特征流速、能量转化规律。研究成果表明，下凹型内孤立波在近岸斜坡地形上的破碎类型分为坍塌型、卷跃型和涌浪型破碎，以及坍塌-卷跃型、卷跃-涌浪型两种混合型破碎方式，破碎方式与Iribarren数密切相关；对于上凸型内孤立波，当Iribarren数<0.65时，在内波爬坡过程中主要混合发生在沿斜坡向上传播的大尺度紊动核心（turbulent bolus）中，内孤立波的波形仍然保持稳定与完整，未观测到破碎现象；在高雷诺数条件下下凹型内波坍塌型破碎可转化为卷跃型破碎，也会显著增加上凸型内波与斜坡地形相互作用过程中的波致流速并减小总的波能损失；雷诺数较高时，波致流场由二维向三维转捩的过程更加迅速。本研究揭示了实尺度内孤立波近岸区域的演变规律，获取相关破碎机理；构建实尺度内孤立波近岸破碎的一般性理论；研究成果可为近海环境流体模型提供理论参考，也可为近岸带工程设计和水环境保护提供实用的理论依据。