內波通過海脊引發渦旋的實驗室觀測 - 2007 Taiwan...

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內波通過海脊引發渦旋的實驗室觀測 許榮中 1 、林呈 2 、鄭明宏 1 、高明哲 2 1.國立中山大學海洋環境及工程學系 2.國立中興大學土木工程學系 摘要 內波通過海底山脊所發生的渦漩是近年來海洋科學領域中重要的研究課題 之一,為瞭解孤立內波通過海脊產生渦漩與其速度場,本研究團隊於 96 年初在 中興大學土木工程學系雷射實驗室使用新建置之內波水槽( 長寬高:14x0.25x0.5 m)及先進光學設備(雷射、PIV 與高速攝影機等),觀測孤立內波通過海脊時所 產生的渦漩並以可視化技術協助量測內波在海脊周遭的流速場。 前言 在大洋內波孤立子的傳播過程中,所產生的擾動可導致海水強烈輻合擴散和 突發性的強流,對海洋物理、生態、工程造成相當影響;例如對石油鑽井平台、 海底輸油管、水下航行及潛艇軍事活動可能造成嚴重的威脅。因此,研究南海內 波孤立子的生成機制、傳播特徵、波形演化、流速分佈及經過海脊引發渦旋等物 理現象,有極為重要的意義。目前在國際學術期刊上,針對微觀下之渦旋探討論 文仍極為有限(Sveen et al.,2002, Guo et al.,2004),故為進一步瞭解內波通過呂宋 海峽兩個海脊(1)時所產生的局部渦漩變化,本研究擬利用實驗室設備深入 分析通過海脊之內孤立波物理特性(如波速場與渦流),以供未來建立數值模式 之參考驗證。 研究方法與初步成果 本實驗是於中興大學林呈教授雷射實驗室之新設內波水槽,藉由三架數位攝 影機與雷射發射器,觀測孤立內波通過山脊時所產生的渦流場。目前以小尺度試 驗中追蹤物質的產生方式、流速的範圍及所欲觀察流場的項目,大致可包括下列 三種方法: (1)懸浮粒子追蹤法, (2)鋁粉微粒追蹤法, (3)雷射螢光誘導感光法(laser induced fluorescence techniqueLIF)本研究已進行之實驗暫採第二種方式(鋁粉微粒追蹤法)觀測內波之渦漩 場。實驗觀測前於內波通過海脊上方均勻灑下粒徑約5mm鋁粉,以雙脈衝式雷射 光學系統(Double pulse laser system)產生波長為532nm的雷射光光頁,照亮水中的 鋁粉粒子,並透過質點影像測速儀量測系統(Particle image velocimery, PIV)量測 流速分佈(2)。當孤立內波通過海脊時,藉由照亮的鋁粉粒子即可拍攝粒子 的運動軌跡與觀測其渦漩場。 3是一個上舉型孤立內波通過海脊時所產生之渦漩場之可視化組圖,由圖 中明顯發現上舉型孤立內波所產生的渦流型態與表面孤立波相似,皆為在障礙物

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內波通過海脊引發渦旋的實驗室觀測 許榮中 1、林呈 2、鄭明宏 1、高明哲 2 1.國立中山大學海洋環境及工程學系

2.國立中興大學土木工程學系

摘要

內波通過海底山脊所發生的渦漩是近年來海洋科學領域中重要的研究課題

之一,為瞭解孤立內波通過海脊產生渦漩與其速度場,本研究團隊於 96 年初在

中興大學土木工程學系雷射實驗室使用新建置之內波水槽(長寬高:14x0.25x0.5 m)及先進光學設備(雷射、PIV 與高速攝影機等),觀測孤立內波通過海脊時所

產生的渦漩並以可視化技術協助量測內波在海脊周遭的流速場。

前言

在大洋內波孤立子的傳播過程中,所產生的擾動可導致海水強烈輻合擴散和

突發性的強流,對海洋物理、生態、工程造成相當影響;例如對石油鑽井平台、

海底輸油管、水下航行及潛艇軍事活動可能造成嚴重的威脅。因此,研究南海內

波孤立子的生成機制、傳播特徵、波形演化、流速分佈及經過海脊引發渦旋等物

理現象,有極為重要的意義。目前在國際學術期刊上,針對微觀下之渦旋探討論

文仍極為有限(Sveen et al.,2002, Guo et al.,2004),故為進一步瞭解內波通過呂宋

海峽兩個海脊(圖 1)時所產生的局部渦漩變化,本研究擬利用實驗室設備深入

分析通過海脊之內孤立波物理特性(如波速場與渦流),以供未來建立數值模式

之參考驗證。

研究方法與初步成果

本實驗是於中興大學林呈教授雷射實驗室之新設內波水槽,藉由三架數位攝

影機與雷射發射器,觀測孤立內波通過山脊時所產生的渦流場。目前以小尺度試

驗中追蹤物質的產生方式、流速的範圍及所欲觀察流場的項目,大致可包括下列

三種方法:(1)懸浮粒子追蹤法,(2)鋁粉微粒追蹤法,(3)雷射螢光誘導感光法(laser induced fluorescence technique,LIF)。

本研究已進行之實驗暫採第二種方式(鋁粉微粒追蹤法)觀測內波之渦漩

場。實驗觀測前於內波通過海脊上方均勻灑下粒徑約5mm鋁粉,以雙脈衝式雷射

光學系統(Double pulse laser system)產生波長為532nm的雷射光光頁,照亮水中的

鋁粉粒子,並透過質點影像測速儀量測系統(Particle image velocimery, PIV)量測

流速分佈(圖2)。當孤立內波通過海脊時,藉由照亮的鋁粉粒子即可拍攝粒子

的運動軌跡與觀測其渦漩場。 圖3是一個上舉型孤立內波通過海脊時所產生之渦漩場之可視化組圖,由圖

中明顯發現上舉型孤立內波所產生的渦流型態與表面孤立波相似,皆為在障礙物

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的後端發生較大渦漩;即孤立內波通過海脊背後引發一個順時針方向旋轉之渦

漩。而圖4則是一個下沈型孤立內波經過海底山脊所產生之渦漩,由該組圖中可

看出內波通過海脊時,內波波谷會先往海脊前端向下拉,再以逆時針方向旋轉通

過海脊。初步研究成果顯示實驗室微觀及可視化法之應用,可以彌補現場宏觀與

量測的不足。 未來本研究團隊將進一步嘗試使用雷射螢光誘導感光法,更有系統化觀測內

波傳遞海脊引發渦旋的現象,並以高速攝影機透過PIV觀測以量化該速度場成果。

參考文獻

1. Guo Y., J. K. Sveen, P. A. Davies, J. Grue and P. Dong, (2004). Modelling the motion of an internal solitary wave over a bottom ridge in a stratified fluid. Environmental Fluid Mechanics, 4: 415–441.

2. Lin, C., S. C. Chang, T. C. Ho, and K. A. Chang, (2006). Laboratory observation of a solitary wave propagating over a submerged rectangular dike. Journal of Engineering Mechanic, ASCE, 132(5): 545-554.

3. Sveen, J.K., Y. Guo, P.A. Davies, and J. Grue, (2002). On the breaking of internal solitary waves at a ridge. J. Fluid Mech., 469 (25): 161-188.

圖 1 南中國海北部與呂宋海峽之地形剖面圖

圖 2 粒子圖像測速計系統量測斷面流場示意圖。

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圖 3.1 上舉型孤立內波通過底床障礙物時之渦漩場(t = t0 sec)

圖 3.2 上舉型孤立內波通過底床障礙物時之渦漩場(t = t0+2 sec)

圖 3.3 上舉型孤立內波通過底床障礙物時之渦漩場(t = t0+4 sec)

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圖 4.1 下沈型孤立內波通過底床障礙物時之渦漩場(t = t0 sec)

圖 4.2 下沈型孤立內波通過底床障礙物時之渦漩場(t = t0+2 sec)

圖 4.3 下沈型孤立內波通過底床障礙物時之渦漩場(t = t0+4 sec)