實驗室條件下內波生成和演化的可視化測量.pdf

1、本文采用多種光學可視化測量技術進行分層流體(或海洋)中內波生成和演化的實驗研究?；趦炔ㄔ谖锢砗Ｑ?、海洋工程及相關學科中的科學和實際應用的意義，它的研究倍受海洋學家和海洋工程研究者等的關注。由于海洋內波現場同步觀測的高花費和不可能性，內波的實驗研究成為重要的研究方法之一。近年來，隨著科學技術的進步，特別是流場的可視化技術和數據獲取技術和某些新技術的出現，使得實驗室條件下內波的可視化成為可能。在內波的可視化研究中，基于它的無干擾、非接觸及

2、二維甚至三維波場瞬時記錄的特點，光學方法是一種重要的研究方法。在過去的十年，隨著光學技術、成像技術和計算機技術的迅速發(fā)展，某些已有的光學方法，諸如紋影技術和常規(guī)的粒子速度測速(PIV)技術日趨成熟，一些新的光學方法，如數字紋影技術等出現并走向實用。而同時新課題的挑戰(zhàn)不斷出現，對流場進行各種參數測量的需求日益增強，內波場的可視化測量既是其中之一。國外在內波場的可視化測量研究領域起步早、技術較為先進。國內研究總體上不及國外，成果轉化相對滯后

3、。從理論研究的角度來講，內波實驗的可視化測量對內波理論研究具有重要的參考價值，對內波數值模擬結果具有輔助驗證的作用。從實踐角度來講，進行光學可視化流體測量的研究和系統(tǒng)實現對推動國內流體測量技術開發(fā)應用和產業(yè)化進程具有重要的現實意義和應用價值。 本文的實驗利用中國海洋大學物理海洋實驗室二維和三維內波及分層流水槽，進行了兩種類型內波的模擬實驗：1)分層流體中運動物體生成的內波場，2)重力混合塌陷生成的內孤立波及其受地形作用而演變的模

4、擬實驗。這些模擬實驗研究都基于相似原理，因此所得實驗結果在物理海洋學、軍事海洋學及海洋環(huán)境學都具有重要應用價值。實驗結果能夠為實地海洋內波的探測研究提供實驗依據，為遙感技術探測和反演海洋內波的研究提供參考數據，還可以作為驗證內波理論和數值模擬結果的重要依據。 本文研究方法是針對實驗室模擬內波的測量要求，將光學可視化測量方法運用于內波實驗，使兩者有機地結合起來。主要研究過程是：第一步，構建內波生成的實驗裝置，包括實驗水槽系統(tǒng)、模型

5、的拖曳系統(tǒng)、調速及測速裝置、地形等生成源的布放、架設，光學成像儀器的調試等，以構成一個完備的模擬內波實驗可視化測量系統(tǒng)；第二步，進行內波模擬實驗，同時拍攝內波場的數字圖像；第三步，結合實驗參數編寫程序及對圖像數據進行處理，提取信息，生成可視化圖像和各內波場圖像；第四步，根據所得數據對內波模擬實驗裝置和光學系統(tǒng)進行參數優(yōu)化和改進；第五步，將實驗所得圖像與現有的內波理論和數值模擬結果進行比較。為了記錄并測量模擬實驗生成的內波場，本文研究了若

6、干種光學可視化測量方法的運用。在簡要研究傳統(tǒng)光學方法在內波研究中應用的基礎上，重點研究一些新型光學測量方法，包括：大型立式激光紋影儀、數字合成紋影法(Digital Synthetic Schlieren)、粒子圖像的測速技術(Particle Image Velocimeter，PIV)。本文首先研究了所用技術和儀器的基本原理，據此它們可分為兩種類型：第一類，測量由流體密度變化引起的流體介質對光線折射率變化，進而拍攝生成的內波場圖像，

7、通過對圖像的處理進行信息提取，計算內波的密度場分布信息，包括：大型立式激光紋影儀、數字合成紋影儀；第二類：在流體中加入光散射粒子，拍攝粒子在激光片光源照明下，隨著流體運動的情況，通過對圖像的處理進行信息提取，計算內波的速度場、渦度場等信息，包括激光片光源的粒子圖像的測速技術。應指出，由于本文所研究問題的潛在應用背景，我們的研究重點是使用自行設計的大型立式激光紋影儀和自主研發(fā)的氬離子激光片光源大面積水平面PIV數據的獲取，而且這兩項工作在

8、國際上也尚屬首次。在建立內波實驗可視化測量系統(tǒng)的過程中，本人的具體工作是參與設計大型立式激光紋影儀，自主搭建數字合成紋影儀和PIV系統(tǒng)，并將兩者組合起來，形成一套專門用于內波實驗的數字合成紋影儀和PIV聯(lián)合測量系統(tǒng)。 本文的實驗結果包括：由CCD和數碼相機直接拍攝的內波圖像、經計算機圖像處理程序提取內波場強度(即立式激光紋影儀獲取的內波灰度圖像)、內波場的水平分布圖、速度場和渦度場。針對文中研究的兩種內波，本文在國內首次取得比較