內波吸引子幾何形成條件及其對聲場的影響

金晨凱, 李孝偉, 張 丹, 李春欣, 謝少榮

內波吸引子幾何形成條件及其對聲場的影響

金晨凱1, 李孝偉2, 張 丹2, 李春欣2, 謝少榮2

(1.上海大學 上海市應用數學與力學研究所, 上海, 200072; 2.上海大學 海洋智能無人系統裝備教育部工程研究中心, 上海, 200072)

特定海洋環境會產生內波吸引子現象, 從而誘導等溫面的波動, 形成特殊的聲速梯度場。對內波吸引子產生條件進行研究, 對開發新型水下航行器的通信和隱蔽方式具有積極意義。地形條件是引發內波吸引子形成的要素之一。文中基于有限體積法研究了二維重力場作用下不可壓縮粘性鹽溶液中, 形成穩定內波吸引子的幾何約束條件, 并依據聲速與溫度的關系, 通過引入溫度場控制方程, 研究了內波吸引子對聲速場和聲速梯度場的影響。研究表明, 對于近直角梯形截面的峽谷區域, 當存在微小擾動時, 海洋中會產生內波, 經多次反射后形成內波吸引子; 當峽谷水面寬度和深度比在1～1.3范圍內, 存在可形成穩定的內波吸引子特定梯形截面, 同時聲速梯度場也呈現出四邊形構型, 可為水下航行器提供特定的通信和隱蔽空間。

水下航行器; 聲場; 內波吸引子; 幾何約束; 聲速梯度

0 引言

海洋中小擾動會產生內波, 經多次反射后, 匯聚到一極限環上, 形成內波吸引子[1]。內波吸引子作為一種特殊的海洋內波結構, 會誘導等溫面的波動, 形成特殊的聲速梯度場, 從而影響水下航行器的通信和隱蔽能力。因此對內波吸引子的形成條件及其與聲傳播之間的關系進行研究, 對于開發新型水下航行器的通信和隱蔽方式具有積極意義。

在已有研究中, Clark等[2]利用合成紋影技術估計了密度擾動下吸引子能量通量的變化; Nash等[3]則根據海洋觀測數據計算了吸引子的能量通量; Beckebanze等[4]考慮了粘性邊界層對吸引子耗散過程的影響; Ogilvie[5]則發現存在耗散情況下, 內波吸引子的分支寬度主要由幾何聚焦和粘性耗散決定。上述工作集中在色散機理及其能量匯聚和耗散方面, 對于產生穩定內波吸引子的幾何約束條件的研究較少。另一方面, 內波吸引子與溫度分布之間存在密切關系, 會引起等溫面的波動[6], 從而改變聲波的傳播路線[7], 但目前關于內波吸引子對聲場的影響研究尚屬空白。

文中首先研究了內波吸引子形成的幾何約束條件, 然后通過引入溫度控制方程以及海水聲傳播經驗公式, 研究了聲場在內波吸引子作用下的演變特性, 研究結果對設計新型水下航行器的通信和隱蔽方式具有一定的參考價值。

1 流-熱耦合控制方程

文中基于Boussinesq假設, 建立包括不可壓縮連續性方程、鹽度輸運方程、動量方程和熱輸運方程的流-熱耦合控制方程

一定溫度下的流體運動粘度

海洋中聲波傳播的速度可用海水溫度、鹽度和靜壓力表示, 其經驗公式為[6]

2 模型與邊界條件

2.1 物理模型

圖1 流場幾何模型

基于有限體積法, 對二維重力場中的單相不可壓縮粘性鹽溶液進行數值仿真, 由于計算模型為二維流場, 且構型簡易, 故采用結構化網格, 網格數為33 750。時間和空間的離散為2階精度, 計算時間步長設置為0.05 s。采用動網格方法描述壁面的運動。

2.2 擾動與邊界條件

在內波吸引子的相關實驗中[8], 頂部往往為自由液面, 而實驗中由小擾動產生的內波對自由液面的形狀幾乎沒有影響, 因此該文仿真中, 在上壁面施加無切應力條件, 即為滑移邊界條件; 下壁面、左壁面和右壁面為無滑移邊界條件。在實際海洋中, 受太陽輻射影響, 海水表面溫度相對較高, 隨著深度增加, 溫度逐漸降低, 故在初始時刻, 給定上壁面為20℃, 下壁面為15℃, 左右壁面為絕熱壁面。

圖2為邊界條件示意圖。

圖2 邊界條件示意圖

在仿真中采用小擾動, 振幅較小, 則左壁面邊界條件為

振幅通過的值來控制, 左壁面振幅隨時間漸增, 運動規律如圖3所示。圖中, A*表示振幅; t表示時間。

3 數值仿真結果及分析

圖4 文中計算得到的速度場

圖5點速度隨時間變化示意圖

Fig.5 Diagram of velocity versus time at point

3.1 下壁面H2對內波吸引子的影響

圖6 下壁面對聲速梯度場吸引子構形的影響

圖7 對應圖6(b)流場3個位置處的速度分布

圖8 對應圖6(d)流場3個位置處的速度分布

3.2 梯形場內波吸引子形成條件

圖9 聲速梯度場吸引子構形與上下壁面長度的關系

3.3 內波吸引子對聲速場的擾動

海水物理性質具有垂直分布的特點, 聲傳播速度發生極大變化的水層稱為聲躍變層[9]。聲線的折射和反射等現象都是聲速梯度的表相反映[10]。聲吶信號若發射于聲速躍層之上, 則很難探測到躍層以下的目標, 在躍層下活動的航行器被發現的幾率會降低很多, 躍層下的聲波, 在躍層上很難接收到; 反之, 躍層上的聲波, 在躍層下也很難接收到[6]。

圖10內波吸引子對流場的影響

4 結論

[1] Maas L R M.Wave Attractors: Linear Yet Nonlinear[J].International Journal of Bifurcation and Chaos, 2005, 15 (9): 2757-2782.

[2] Clark H A, Sutherland B R.Generation, Propagation, and Breaking of an Internal Wave Beam[J].Physics of Fluids, 2010, 22(7): 1-16.

[3] Nash J D, Alford M H, Kunze E.Estimating Internal Wave Energy Fluxes in the Ocean[J].Journal of Atmospheric & Oceanic Technology, 2005, 22(10): 1551-1570.

[4] Beckebanze, F, BrouzeT C, Sibgatullin I N, et al.Damping of Quasi-two-dimensional Internal Wave Attractors by Rigid-wall Friction[J].J.Fluid Mech, 2018, 841: 614-635.

[5] Ogilvie G I.Wave Attractors and the Asymptotic Dissipation Rate of Tidal Disturbances[J].Journal of Fluid Mechanics, 2005, 543: 19-44.

[6] 蔣德軍, 高天賦, 張云鵬, 等.典型淺海溫躍層內波對聲場起伏的影響[J].聲學學報, 1997, 22(3): 198-208.

Jiang De-jun, Gao Tian-fu, Zhang Yun-peng, et al.The Fluctuation of Sound Field Due to Internal Wave on the Thermocline in Typical Shallow Water[J].Acta Acustica, 1997, 22(3): 198-208.

[7] 付肖燕.潛艇航行安全的海洋戰場環境評估方法研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2012.

[8] Thierry D, Sylvain J.Direct Numerical Simulation of Internal Gravity Wave Attractor in Trapezoidal Domain with Oscillating Vertical Wall[J].The Proceedings of ISP RAS, 2014, 26(5): 117-141.

[9] 王彥磊, 袁博, 朱尚卿, 等.海洋環境對潛艇活動的影響[J].艦船科學技術, 2010, 32(6): 52-55.

Wang Yan-lei, Yuan Bo, Zhu Shang-qing, et al.The Influence of Marine Environment on Submarine Activities[J].Ship Science and Technology, 2010, 32(6): 52-55.

[10] 沈國光, 葉春生.海洋內波對水聲場的擾動[J].海洋工程, 2002, 20(2): 78-84.

Shen Guo-guang, Ye Chun-sheng.Disturbance of Water Sound Field by Ocean Internal Waves[J].The Ocean Engineering, 2002, 20(2): 78-84.

Geometric Formation Condition of Internal Wave Attractors and Its Influence on Sound Fields

JIN Chen-kai1, LI Xiao-wei2, ZHANG Dan2, LI Chun-xin2, XIE Shao-rong2

(1.Shanghai University, Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics, Shanghai 200072, China; 2.Shanghai University, Marine Intelligent Unmanned Ministry of Education Engineering Research Center, Shanghai 200072, China)

The condition of the terrain is one of the major causes for the formation of internal wave attractors.These internal wave attractors, which induce a fluctuation of the isothermal surface and may result in a special sound velocity gradient field, usually exist in specific marine environments.To develop a novel communication and concealed way for undersea vehicles, research on the terrain conditions that generate internal wave attractors is necessary.In this study, the geometric constraints of stable internal wave attractors were derived by studying an incompressible viscous salt solution with a two-dimensional gravity field using the finite volume method.According to the relationship between sound velocity and temperature, the influences of internal wave attractors on sound velocity and sound velocity gradient fields were studied by introducing the temperature field control equation.The simulation results showed that, owing to the multiple reflections of the internal waves under a small disturbance, internal wave attractors will appear in a canyon region with a nearly right-angled trapezoidal cross section.When the water surface width and depth ratio of the canyon are in the range of 1 to 1.3, there is a specific trapezoidal section that can contribute a stable internal wave attractor, while the sound velocity gradient field presents a quadrilateral configuration, which can provide a specific communication and concealment site for undersea vehicles.

undersea vehicle; sound field; internal wave attractor; geometric constraints; sound velocity gradient

金晨凱, 李孝偉, 張丹, 等.內波吸引子幾何形成條件及其對聲場的影響[J].水下無人系統學報, 2022, 30 (1): 23-28.

TJ630; TB566; O353

A

2096-3920(2022)01-0023-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.003

2021-03-29;

2021-04-28.

國家自然基金面上項目資助(61973208,61773254); 國家重點研發計劃課題(2018YFB1304503).

金晨凱(1995-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為流體力學.

(責任編輯: 楊力軍)