實驗室條件下內(nèi)波生成和演化的可視化測量.pdf

1、本文采用多種光學(xué)可視化測量技術(shù)進(jìn)行分層流體(或海洋)中內(nèi)波生成和演化的實驗研究?；趦?nèi)波在物理海洋、海洋工程及相關(guān)學(xué)科中的科學(xué)和實際應(yīng)用的意義，它的研究倍受海洋學(xué)家和海洋工程研究者等的關(guān)注。由于海洋內(nèi)波現(xiàn)場同步觀測的高花費和不可能性，內(nèi)波的實驗研究成為重要的研究方法之一。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是流場的可視化技術(shù)和數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和某些新技術(shù)的出現(xiàn)，使得實驗室條件下內(nèi)波的可視化成為可能。在內(nèi)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(xué)方法是一種重要的研究方法。在過去的十年，隨著光學(xué)技術(shù)、成像技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，某些已有的光學(xué)方法，諸如紋影技術(shù)和常規(guī)的粒子速度測速(PIV)技術(shù)日趨成熟，一些新的光學(xué)方法，如數(shù)字紋影技術(shù)等出現(xiàn)并走向?qū)嵱谩６瑫r新課題的挑戰(zhàn)不斷出現(xiàn)，對流場進(jìn)行各種參數(shù)測量的需求日益增強(qiáng)，內(nèi)波場的可視化測量既是其中之一。國外在內(nèi)波場的可視化測量研究領(lǐng)域起步早、技術(shù)較為先進(jìn)。國內(nèi)研究總體上不及國外，成果轉(zhuǎn)化相對滯后

3、。從理論研究的角度來講，內(nèi)波實驗的可視化測量對內(nèi)波理論研究具有重要的參考價值，對內(nèi)波數(shù)值模擬結(jié)果具有輔助驗證的作用。從實踐角度來講，進(jìn)行光學(xué)可視化流體測量的研究和系統(tǒng)實現(xiàn)對推動國內(nèi)流體測量技術(shù)開發(fā)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。 本文的實驗利用中國海洋大學(xué)物理海洋實驗室二維和三維內(nèi)波及分層流水槽，進(jìn)行了兩種類型內(nèi)波的模擬實驗：1)分層流體中運動物體生成的內(nèi)波場，2)重力混合塌陷生成的內(nèi)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(jié)果在物理海洋學(xué)、軍事海洋學(xué)及海洋環(huán)境學(xué)都具有重要應(yīng)用價值。實驗結(jié)果能夠為實地海洋內(nèi)波的探測研究提供實驗依據(jù)，為遙感技術(shù)探測和反演海洋內(nèi)波的研究提供參考數(shù)據(jù)，還可以作為驗證內(nèi)波理論和數(shù)值模擬結(jié)果的重要依據(jù)。 本文研究方法是針對實驗室模擬內(nèi)波的測量要求，將光學(xué)可視化測量方法運用于內(nèi)波實驗，使兩者有機(jī)地結(jié)合起來。主要研究過程是：第一步，構(gòu)建內(nèi)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(diào)速及測速裝置、地形等生成源的布放、架設(shè)，光學(xué)成像儀器的調(diào)試等，以構(gòu)成一個完備的模擬內(nèi)波實驗可視化測量系統(tǒng)；第二步，進(jìn)行內(nèi)波模擬實驗，同時拍攝內(nèi)波場的數(shù)字圖像；第三步，結(jié)合實驗參數(shù)編寫程序及對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取信息，生成可視化圖像和各內(nèi)波場圖像；第四步，根據(jù)所得數(shù)據(jù)對內(nèi)波模擬實驗裝置和光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和改進(jìn)；第五步，將實驗所得圖像與現(xiàn)有的內(nèi)波理論和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較。為了記錄并測量模擬實驗生成的內(nèi)波場，本文研究了若

6、干種光學(xué)可視化測量方法的運用。在簡要研究傳統(tǒng)光學(xué)方法在內(nèi)波研究中應(yīng)用的基礎(chǔ)上，重點研究一些新型光學(xué)測量方法，包括：大型立式激光紋影儀、數(shù)字合成紋影法(Digital Synthetic Schlieren)、粒子圖像的測速技術(shù)(Particle Image Velocimeter，PIV)。本文首先研究了所用技術(shù)和儀器的基本原理，據(jù)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(zhì)對光線折射率變化，進(jìn)而拍攝生成的內(nèi)波場圖像，

7、通過對圖像的處理進(jìn)行信息提取，計算內(nèi)波的密度場分布信息，包括：大型立式激光紋影儀、數(shù)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(jìn)行信息提取，計算內(nèi)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(shù)。應(yīng)指出，由于本文所研究問題的潛在應(yīng)用背景，我們的研究重點是使用自行設(shè)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(shù)據(jù)的獲取，而且這兩項工作在

8、國際上也尚屬首次。在建立內(nèi)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(shè)計大型立式激光紋影儀，自主搭建數(shù)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(nèi)波實驗的數(shù)字合成紋影儀和PIV聯(lián)合測量系統(tǒng)。 本文的實驗結(jié)果包括：由CCD和數(shù)碼相機(jī)直接拍攝的內(nèi)波圖像、經(jīng)計算機(jī)圖像處理程序提取內(nèi)波場強(qiáng)度(即立式激光紋影儀獲取的內(nèi)波灰度圖像)、內(nèi)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(nèi)波，本文在國內(nèi)首次取得比較