Способ регистрации поверхностных проявлений внутренних волн, генерируемых движущимся подводным объектом
Владельцы патента RU 2261458:
Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук (RU)
Использование: для регистрации поверхностных проявлений внутренних волн, генерируемых движущимся подводным объектом. Сущность изобретения заключается в том, что производят дистанционное зондирование водной поверхности в СВЧ-диапазоне, при этом регистрируют поверхностные проявления на основе ранее полученной теоретической оценки и экспериментально полученных значений горизонтальной скорости течения для случаев коллапса турбулентного следа в верхнем пикноклине, в промежуточном слабо стратифицированном слое, в нижнем пикноклине, при том, что скорость индуцированных в приповерхностном слое горизонтальных течений достаточна для проявления в эффектах взаимодействия с ветровым волнением. Технический результат: построение системы регистрации (идентификации) поверхностных проявлений внутренних волн, генерируемых движущимся подводным объектом. 7 ил.
Данное изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения системы регистрации (идентификации) поверхностных проявлений корабельных внутренних волн генерируемых движущимся подводным объектом.
Решение поставленной задачи может быть достигнуто на основе теоретического анализа поверхностных проявлений внутренних волн, генерируемых при коллапсе спутного турбулентного следа, являющегося источником генерации существенно нелинейных внутренних волн за подводным объектом и их проявлений на поверхности океана; определения параметров и форм структур поверхностных проявлении спутного следа движущегося подводного аппарата;сравнения результатов теоретических оценок величин скоростей горизонтальных течений, в приповерхностном слое индуцированных коллапсом спутного следа подводного объекта с данными экспериментальных исследований этого механизма [6]; теоретического обоснования и подтверждения сравнением с данными экспериментальных исследований возможности регистрации поверхностных проявлений внутренних волн, генерируемых движущимся подводным объектом, при дистанционном зондировании водной поверхности в СВЧ-диапазоне.
Сущность изобретения.
Предлагаемый способ регистрации поверхностных проявлений внутренних волн, генерируемых движущимся подводным объектом, базируется на анализе поверхностных проявлений движений, генерируемых при коллапсе турбулизованных областей в океане. Известно [3], что интенсивные внутренние волны могут проявляться на поверхности в виде сликов (зон выглаженной поверхности) и сулоев (зон бурлящей воды), которые наблюдаются как визуально, так и в данных дистанционного зондирования. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что в его основе лежит взаимодействие приповерхностного горизонтального течения, создаваемого внутренней волной, с полем ветровых волн.
Рассмотрим результаты численного моделирования горизонтальных течений, индуцируемых уединенными внутренними волнами в приповерхностном слое при коллапсе перемешанного пятна в жидкости с реальной стратификацией.
Представление о поле горизонтальной компоненты скорости внутренних волн в случае коллапса в верхнем пикноклине показан на фиг.1, на котором приведены результаты расчетов для следующих параметров модели:
где h0 -вертикальный полуразмер пятна; L - горизонтальный размер;
h - характерный вертикальный масштаб стратификации, в случае линейного распределителя плотности, совпадающей с глубиной жидкости. Δϕ - трансформанта Фурье. Центр пятна располагался на горизонте 26 м; рис. "а" - соответствует момент времени dt=1600с, остальные рисунки представлены с шагом по времени dt=1600с.
Материалы, представленные на фиг.1, показывают, что при распространении уединенной внутренней волны над ее задним склоном в приповерхностном слое наблюдается максимум горизонтальной скорости. Для рассматриваемых параметров модели амплитуды горизонтальной скорости генерируемое при коллапсе течение имеет ярко выраженный уединенной волны.
Результаты анализа случая коллапса перемешанного пятна в промежуточном слабостратифицированном слое приведены на фиг.2. Расчеты горизонтальной компоненты скорости выполнены для следующих параметров модели: ϕ=0,3; 
h0=15 м; h=50 м;
Рисунки представлены для моментов времени, начиная с t=1600 с шагом dt=1600с. Анализ представленных результатов показывает, что при коллапсе зоны смешения в промежуточном слое генерируются волновые возмущения с различными фазовыми скоростями, что объясняется сложным модовым составом волнового поля. На поверхности жидкости наблюдаются два максимума горизонтальной компоненты скорости разного знака. С течением времени они расходятся вследствие различия скоростей распространения разных мод. Максимальное значение горизонтальной компоненты скорости на поверхности составляет 2-3 мм/с при фазовых скоростях 31 см/с и 12 см/с. Увеличение интенсивности возмущения в промежуточном слое приводит к интенсификации как возмущений поля плотности, так и поля горизонтальных скоростей в приповерхностном слое.
Рассмотрим коллапс зоны смешения в нижнем пикноклине. Результаты расчетов для параметров модели: ϕ=0,75; 
h=15 м; h=20 м; показаны на фиг.3. Как и в случае коллапса в верхнем пикноклине, над задним склоном распространяющейся уединенной внутренней волны третьей моды на поверхности жидкости наблюдается экстремум горизонтальной компоненты скорости. При этом для рассматриваемого случая присутствует еще один экстремум, соответствующий второй моде. Максимальное значение модуля горизонтального значения скорости составляет 1 см/с при фазовых скоростях 34 см/с и 18 см/с.
Увеличение вертикальных размеров перемешанной области и, соответственно, амплитуд внутренних волн приводит к увеличению максимальных значений горизонтальной компоненты скорости на поверхности. На фиг.4 показаны результаты численного эксперимента для тех же параметров модели (ϕ=1,5). Так же, как и в предыдущем случае, в поле горизонтальных скоростей хорошо проявляется распространяющаяся интенсивная уединенная волна. Максимальное значение горизонтальной компоненты скорости на поверхности возрастает до 3-4 см/с при фазовых скоростях 38 см/с и 25 см/с.
На основе выполненных численных экспериментов оценим возможность идентификации генерируемых при коллапсе тубулизованных областей уединенных внутренних волн по их поверхностным проявлениям с помощью дистанционных методов зондирования. В работах [1.2] приведены теоретические и экспериментальные результаты анализа возможности оценки параметров внутренних волн по радиолокационному сигналу. Установлено, что если для внутренней волны выполняется соответствие 
то проявление внутренних волн на поверхности в радиолокационном сигнале наблюдается уже для ε≈0,05-0,1 при соответствующих ветровых условиях. Здесь Um - максимальное значение горизонтальной компоненты скорости, индуцируемой на поверхности жидкости внутренней волной; Сф - фазовая скорость внутренней волны; 
- параметр нелинейности; а -амплитуда смещения пикноклина, hp - глубина залегания пикноклина.
Проведем оценку указанных параметров для представленных в данном разделе полей горизонтальной компоненты скорости внутренних волн. Для случая коллапса в верхнем пикноклине Um=0,05 м/с, Сф=0,21 м/с; a≈5 м; hp≈20 м;
Таким образом, 
Условия 
выполняются.
Для случая коллапса в промежуточном слое
Um≈0,005 м/с; Сф≈0,12 м/с; а≈1 м; hp=20 м.
Таким образом, 
; условие 
выполняется, но значение параметра нелинейности достаточно мало.
Для случая коллапса в нижнем пикноклине Um≈0,04 м/с; Сф≈0,25;
a≈3м; hp=20 м. Следовательно, 
и необходимые условия выполняются.
Выполненные оценки показывают, что при коллапсе областей смешения в реально стратифицированной жидкости возможна генерация уединенных внутренних волн, проявление которых на поверхности могут быть зарегистрированы в СВЧ-диапазоне [2].
Проведенное исследование показывает на возможность создания интенсивных приповерхностных течений при схлопывании двумерного пятна в стратифицированной жидкости. Вместе с тем турбулентный спутный след за движущимся объектом имеет существенно трехмерную структуру. Использование предыдущих результатов для анализа пространственной структуры волновых возмущений, создаваемых на морской поверхности при движении погруженного объекта, возможно при определенных условиях. Известно [7], что перемешанный след проходит определенные стадии в своем развитии. Сначала кинетическая энергия, сообщаемая объектом окружающей жидкости, расходуется на рост вертикального размера области перемешанной жидкости. Рост происходит до тех пор, пока не установится баланс между силами инерции и силами плавучести. С этого момента начинается коллапс спутного следа. Движущийся в стратифицированной среде источник создает возмущения разных масштабов - продольные и поперечные [4. 5]. Длина поперечных волн всегда является величиной порядка характерного линейного масштаба задачи, а характерный размер продольных возмущений зависит от скорости источника U. При UT>L эта длина порядка UT. Т - характерный период Вяйсяля-Брента, L - характерный линейный масштаб. Для случая UT≫L, что соответствует Fr≫1 (
- число Фруда), область внутренних волн представляет собой в плане узкую протяженную зону с малыми углами раскрытия. При этом в области внутренних волн справедливы оценки, аналогичные погранслойным [5].
где координата Х совпадает с осью движения объекта.
Согласно этим оценкам уравнение неразрывности приобретает вид
что соответствует плоской задаче в YOZ - плоскости. Значит, в поле внутренних волн движение частичек жидкости приближенно носит локально плоский характер.
Таким образом, если будет выполняться условие F2≫1, то в локальной неподвижной системе координат в плоскости YOZ, через которую в некоторый момент времени прошел объект, будет развиваться квазиплоская картина внутренних волн. На расстоянии Х от движущегося источника она соответствует развитию внутренних волн в выделенной плоскости YOZ в момент времени 
. Размеры начального пятна определяются долей кинетической энергии объекта, расходуемой на перемешивание жидкости.
Построим пространственную картину приповерхностных течений для рассмотренных в предыдущих разделах глубин погружения источника возмущений: в верхнем пикноклине, в промежуточном слабостратифицированном слое, в нижнем пикноклине.
Процедура построения пространственных полей следующая. Через равные промежутки времени Δt=10 c выводится поле горизонтальной компоненты скорости U(Z,Y) и строка, соответствующая свободной поверхности Z=0, записывается в массив U{X,Y} в строку, соответствующую Х=Ut. Сформированный таким образом массив выводится на печать. Все поля выведены на печать в координатах Y, t, что позволяет для заданной скорости движения U легко провести оцифровку осей в координатах X, Y.
Поля горизонтальной скорости для случаев коллапса турбулентного спутного следа в верхнем пикноклине (ϕ=1,5), в промежуточном слабостратифицированном слое (ϕ=0,5), в нижнем пикноклине (ϕ=0,75) представлены на фиг.5-7 соответственно. Все показанные поля имеют характерную V-образную структуру с малыми углами раскрытия. Как показали оценки, скорости индуцированных в приповерхностном слое горизонтальных течений достаточные для проявления в эффектах взаимодействия с ветровым волнением. Следовательно, в данных зондирования морской поверхности в СВЧ-диапазоне генертруемый движущимся объектом волновой след может быть зарегистрирован в виде характерной V-образной структуры, развивающейся по направлению движения объекта.
Результаты сопоставления приведенных теоретических расчетов с данными проведенных экспериментальных исследований показали, что представленная численная гидродинамическая модель правильно описывает наблюдавшиеся в эксперименте процессы и закономерности генерации уединенных волн при коллапсе перемешанного пятна в стратифицированной жидкости [8].
Построенные в работе теоретические спектральные оценки и их сравнение с экспериментальными данными позволили установить принципиальную возможность определения движущегося подводного объекта по данным дистанционного зондирования волнового следа.
Таким образом, можно сделать следующие вывод:
Построенные теоретические спектральные оценки генерации уединенных волн при коллапсе перемешанного пятна в стратифицированной жидкости, возникающего при движении подводного объекта, удовлетворительно описывают характер их поверхностных проявлений.
Теоретически обоснована и подтверждена сравнением с экспериментальными данными возможность регистрации при дистанционном зондировании океана поверхностных проявлений внутренних волн, генерируемых движущимся подводным объектом, для случаев коллапса турбулентного спутного следа в верхнем пикноклине, в промежуточном слабостратифицированном слое, в нижнем пикноклине, при этом скорость индуцированных в верхнем слое горизонтальных течений достаточна для проявления в эффектах взаимодействия с ветровым волнением.
Предложенные формы и параметры V-образных структур поверхностных проявлений коллапса спутного следа подтвердили свою работоспособность при анализе экспериментальных данных с целью регистрации поверхностных проявлений внутренних волн, генерируемых движущимся подводным объектом.
Литература
1. Бурдюгов В.М., Верещак А.И., Гродский С.А., Кудрявцев В.Н., Малиновский В.В. Оценки параметров внутренних волн по радиолокационному сигналу // Изв. АН СССР. Сер. ФАО, 1987. Т.28, №8.
2. Кудрявцев В.Н., Малиновский В.В. О влиянии внутренних волн на радиолокационный сигнал при малых углах скольжения // Морской гидрофизический журнал. 1988. №6. С.3-9.
3. Монин А.С., Красицкий В.П. Явление на поверхности океана. М.: Гидрометеоиздат, 1985, 375 с.
4. Олейник А.Я., Стеценко А.Г., Никишов В.И. Внутренние волны, вызванные системой источников и стоков в стратифицированном потоке конечной глубины// Поверхностные внутренние волны. Севастополь: МГИ АНУССР. 1979. С.110-121.
5. Стеценко А.Г. Метод плоской нестационарной постановки в пространственных задачах о внутренних волнах за сингулярными источниками//ДАНУССР. Сер. А. 1985. №9, С.42-45.
6. Castro I.P., Snyder W.H., Marsh G.L. Stratified flow over three-dimentional redges // J.Fluid. Mech. 1983. V.135. P.261-282.
7. Scooley A., Stewart R.W. An experiments with a selfpropelled body submerged in a fluid with a vertiefl density gradient //J. Fluid. Mech. 1963. V.15. P.83-96.
8. Abraham G. Model study of water gravity waves generated by a moving circular low - pressure area // J. Geophys. Res. 1963. V.68, N 8. P.2185-2215.
Способ регистрации поверхностных проявлений внутренних волн, генерируемых движущимся подводным объектом, заключающийся в дистанционном зондировании водной поверхности в СВЧ диапазоне и регистрации местоположения поверхностных проявлений по реальной конфигурации картин и параметров спутного следа на поверхности океана, отличающийся тем, что регистрируют поверхностные проявления на основе ранее полученной теоретической оценки и экспериментально полученных значений горизонтальной скорости течения для случаев коллапса турбулентного следа в верхнем пикноклине, в промежуточном слабо стратифицированном слое, в нижнем пикноклине, при этом скорость индуцированных в приповерхностном слое горизонтальных течений достаточна для проявления в эффектах взаимодействия с ветровым волнением.
