مطالعۀ تجربی طیف امواج درونی ناشی از حرکت یک مدل هیدروفویل شکل در یک شارۀ چینه‌بندی شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک دریا، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران

2 گروه آموزشی فیزیک فضا،موسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران

3 دانشکده علوم دریایی و اقیانوسی دانشگاه مازندران، بابلسر

چکیده

حرکت اجسام زیرسطحی در لایه چینه بندی شده باعث شکل گیری امواج درونی می‌شود. در این مقاله به مطالعه امواج درونی ناشی از حرکت یک جسم هیدروفویل شکل در محیطی با چینه‌بندی چگالی پرداخته خواهدشد. در محیط آزمایشگاهی در یک تانک شیشه‌ای به ابعاد 0.5×1×3 متر به کمک روش خطی با فرکانس شناوری 0.44 بر ثانیه، چینه‌بندی صورت گرفت. در این محیط با استفاده از یک ارابه کششی، یک جسم هیدروفویل شکل با ضخامت 6 سانتی‌متر و طول 20 سانتی متر و پهنای 12 سانتی‌متر، برای بررسی تغییر در اعداد فرود و رینولدز محیط و تأثیر این تغییرات بر شکل‌گیری امواج درونی پشت جسم، در محدوده عدد فرود 0.19 تا 1.7 حرکت داده شد. با استفاده از تکنیک تصویربرداری از سایه و ثبت سیگنال‌های افت و خیز چگالی‌سنج، امواج درونی ناشی از حرکت جسم مورد مطالعه قرار گرفت و در این بررسی بخصوص به طیف این افت و خیز در فاصله مشخصی از جسم پرداخته شد. در این مطالعه سیگنالهای ثبت شده در حوزه فرکانس مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و با ترسیم طیف فرکانس برای انواع سیگنالهای ثبت شده توسط سنسور شوری سنج فوق سریع، فرکانس‌های غالب استخراج گردید و نتایج نشان داد که با افزایش عدد فرود ترکیب فرکانس‌های بیشتری در محیط رخ می‌دهند. همچنین در تحلیل انرژی طیف امواج مشاهده گردیدکه تا عدد فرود بحرانی انرژی با افزایش فرود، افزایش یافته و پس از آن بدلیل تلاطم، کاهش انرژی را مشاهده خواهیم‌کرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Internal gravity waves spectrum generated by a hydrofoil body moving in a stratified fluid

نویسندگان [English]

  • Mohammad AkbarnejadBaie 1
  • abbasali aliakbariBidokhti 2
  • mohammad akbarinasab 3
  • sara allahyariBeyk 1
  • mojtaba Ezam 1
2 Professor, Institute of Geophysics University of Tehran, Tehran, Iran
3 , Department of environmental and marine sciences, University of Mazandaran, Babolsar, Iran
چکیده [English]

The movement of subsurface objects in the stratified fluid causes the formation of internal waves. In this paper Internal gravity waves spectrum generated by a hydrofoil body moving in a stratified fluid is investigated. In a glass tank with dimensions 3×1×0.5 (m), a linear stratification with buoyancy frequency (N) equal to 0.44 per second, was set up. Then a hydrofoil body with 6 cm in diameter, 20 cm at length and 12 cm wide was towed in the fluid. While changing the Froude (from 0.19 to 1.7) and Reynolds numbers of the flow, the effects of these changes were examined on the formation of the internal waves and wake of the hydrofoil. By using shadowgraph technique and signal fluctuations record, the internal waves with a length of about half a meter were identified. In this study, the signals are recorded in domain of frequency at a certain distance from the model. Using an ultra-fast salinity meter (densitometer) for recording signal frequencies it was found that increasing Froude number results in more combination of frequencies occurred in the environment. The energy of wave spectrum increased up to a critical Froude number, and then decreased due to turbulence.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Density stratification
  • internal waves
  • Shadowgraph imaging technique
  • Salinity signal fluctuations
  • Froude number
  • Spectral Analysis
[1] Bonneton P, Chomaz JM, Hopfinger EJ. Internal waves produced by the turbulent wake of a sphere moving horizontally in a stratified fluid. Journal of Fluid Mechanics. 1993 Sep;254:23-40.
[2] Schlosser TL, Jones NL, Musgrave RC, Bluteau CE, Ivey GN, Lucas AJ. Observations of diurnal coastal-trapped waves with a thermocline-intensified velocity field. Journal of Physical Oceanography. 2019 Jul;49(7):1973-94.
[3] Thorpe SA. The turbulent ocean. Cambridge University Press; 2005 Oct 27.
[4] Stillinger DC, Head MJ, Helland KN, Van Atta CW. A closed-loop gravity-driven water channel for density-stratified shear flows. Journal of Fluid Mechanics. 1983 Jun;131:73-89.
[5] Odell GM, Kovasznay LS. A new type of water channel with density stratification. Journal of Fluid Mechanics. 1971 Dec;50(3):535-43.
[6] Bidokhti A, Britter R. A large stratified shear flow water channel facility. Experiments in fluids. 2002 Aug 1;33(2):281-7.
[7] Dickey TD, Mellor GL. Decaying turbulence in neutral and stratified fluids. Journal of Fluid Mechanics. 1980 Jul;99(1):13-31.
[8] Itsweire EC, Helland KN, Van Atta CW. The evolution of grid-generated turbulence in a stably stratified fluid. Journal of Fluid Mechanics. 1986 Jan;162:299-338.
[9] Webster CA. An experimental study of turbulence in a density-stratified shear flow. Journal of Fluid Mechanics. 1964 Jun;19(2):221-45.
[10] Swain SK, Trinath K. Non-Acoustic Detection of Moving Submerged Bodies In Ocean. International Journal of Innovative Research and Development (ISSN 2278–0211). 2012 Dec 1;1(10):361-72.
[11] Ma W, Li Y, Ding Y, Duan F, Hu K. Numerical investigation of internal wave and free surface wave induced by the DARPA Suboff moving in a strongly stratified fluid. Ships and Offshore Structures. 2019 Sep 12:1-8.
[12] Voropayeva OF, Moshkin NP, Chernykh GG. Internal waves generated by turbulent wakes in a stably stratified medium. Computational technologies. 2003 Sep 1; 48(9): 517-21.
[13] Hopfinger EJ, Flor JB, Chomaz JM, Bonneton P. Internal waves generated by a moving sphere and its wake in a stratified fluid. Experiments in Fluids. 1991 Jul 1;11(4):255-61.
[14] Chashechkin YD, Gumennik EV, Sysoeva EY. Transformation of a density field by a threedimensional body moving in a continuously stratified fluid. Journal of applied mechanics and technical physics. 1995 Jan 1;36(1):19-29.
[15] Mitkin VV, Chashechkin YD. Experimental Investigation of the Velocity Field near a Cylinder in a Contonuously Stratified Fluid. Fluid Dynamics. 2000 Sep 1;35(5):642-51.
[16] Wong AB, Griffiths RW, Hughes GO. Shear layers driven by turbulent plumes. Journal of Fluid Mechanics. 2001 May;434:209-41.
[17] Glushko GS, Gumilevskii AG, Polezhaev VI. Evolution of the turbulent wakes of spherical bodies in stably stratified media. Fluid dynamics. 1994 Jan 1;29(1):10-6.
[18] Chashechkin YD, Mitkin VV. A visual study on flow pattern around the strip moving uniformly in a continuously stratified fluid. Journal of Visualization. 2004 Jun 1;7(2):127-34.
[19] Dotsenko SF, Savoskin VM. Generation of internal waves by moving non-stationary disturbances in a real stratified ocean. Physical Oceanography. 1994 Sep 1;5(5):335-47.
[20] Ohya Y, Uchida T, Nagai T. Near wake of a horizontal circular cylinder in stably stratified flows. Open Journal of Fluid Dynamics. 2013 Nov 15;2013.
[21] Rowe KL, Diamessis PJ, Zhou Q. Internal gravity wave radiation from a stratified turbulent wake. Journal of Fluid Mechanics. 2020 Apr;888.
[22] Gill AE. Atmosphere-Ocean dynamics (International Geophysics Series). Academic press; 1982.
[23] Bidokhti AA. Flow Visualization of Internal Waves and Wakes of a Streamlined Body in a Stratified Fluid. Journal of Applied Fluid Mechanics. 2016 Apr 1;9(2).
[24] Martin AJ. Laboratory simulation and numerical modelling of the kinematics of oceanic internal waves [dissertation]. univ. Edinburgh; 1997.
[25] Sutherland BR, Linden PF. Internal wave excitation by a vertically oscillating elliptical cylinder. Physics of Fluids. 2002 Feb;14(2):721-31.