[论文解读] Parameterization of the Near-Field Internal Wave Field Generated by a Submarine

James W. Rottman, Kyle A. Brucker+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Ocean Waves and Remote Sensing参考文献 27被引用 9

一句话总结

本研究利用球体在稳定分层流体中运动的高保真数值模拟，验证并改进了潜艇产生的近场内波的源分布参数化方法。结果表明，在低弗劳德数（Fr ≈ 1）时，带有振荡源的线性射线追踪模型能准确表示体部生成的波，但在高弗劳德数（Fr = 4）时无法捕捉尾迹生成的波场，此时湍流尾迹效应占主导，需对源参数化方法进行修正。

ABSTRACT

We attempt to gain some insight into the modeling of the generation of internal waves produced by submarines traveling in the littoral regions of the ocean with the use of high fidelity numerical simulations. These numerical simulations are shown to be capable of simulating high Reynolds number flow around bodies, including the effects of stable stratification. In addition, we use the results of these detailed numerical studies to test and revise the source distribution parameterizations of the near-field waves that have been used in analytical studies based on linear theory. Such parameterizations have been shown to be useful in initializing ray-tracing schemes that can be used for computing wave propagation through realistic oceans with variable background properties. For simplicity, we focus on the idealized case of a spherical body traveling horizontally at constant speed through a uniformly stratified fluid.

研究动机与目标

• 评估线性射线追踪模型中源分布参数化方法在模拟潜艇在分层流体中产生的近场内波时的准确性。
• 识别现有解析模型在波生成中依赖简化源分布时的局限性。
• 使用高保真数值模拟作为基准，以修正源参数化方法，特别是针对湍流尾迹生成的波。
• 确定振荡源分布是否能准确表示复杂非线性流场中潜航体周围产生的波场。
• 改进射线追踪模型在具有可变层结和剪切的现实海洋环境中进行内波传播模拟的初始化方法。

提出的方法

• 使用NFA（Navier-Stokes自由表面）代码进行数值模拟，以模拟球体在恒定速度下通过高雷诺数分层流场的流动。
• 模拟通过时间近似方法捕捉了体部生成波（由流体位移引起）和尾迹生成波（由湍流尾迹坍塌引起）的动态。
• 傅里叶-射线模型用于在傅里叶变换域中使用源分布计算波传播，并通过逆傅里叶变换映射到空间解。
• 源分布建模为垂直振荡、水平运动的点源，以表示非定常波生成，振荡频率σ用作调参参数。
• 将模拟得到的波场（速度分量u/U）与不同源参数下线性理论的预测结果进行比较。
• 边界条件包括在z = ±5D处设置反射上下壁面，以研究波的反射并验证模型保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 现有线性射线追踪模型中的源分布参数化方法在多大程度上能准确再现潜艇在分层流体中产生的内波场？
• RQ2 在高弗劳德数流动中，振荡源分布在多大程度上能捕捉湍流尾迹动力学产生的波特征？
• RQ3 在低（Fr = 1）和高（Fr = 4）弗劳德数下，线性理论的波场预测与高保真数值模拟结果相比如何？
• RQ4 哪些源分布参数（振幅、频率、空间分布）最能准确再现数值模拟的波场，特别是在尾迹主导的区域？
• RQ5 数值模拟能否用于校准和改进操作海洋预报中内波生成的解析模型？

主要发现

• 在低弗劳德数（Fr = 1）时，采用静态源分布（σ = 0）的线性射线追踪模型与数值模拟的波场高度吻合，特别是在体部生成波区域。
• 在Fr = 1时，数值模拟与线性理论之间的差异出现在x/D = -5附近下游的y = 0处，归因于未建模的尾迹生成波。
• 在高弗劳德数（Fr = 4）时，σ = 0的线性理论无法再现波场，因为尾迹生成波占主导，而静态源模型无法捕捉这些波。
• Fr = 4情况下的波幅较小，且显著受尾迹湍流影响，表明当前参数化方法在该工况下不足。
• 数值模拟显示存在来自上下边界（z = ±5D）的反射，而线性理论中不存在，这导致在中心线附近波场出现微小差异。
• 本研究结论认为，未来工作必须确定最优的振荡频率和振幅分布，以在理论模型中准确模拟尾迹生成的波场。