авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование пространственной структуры резонансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией

На правах рукописи

ЧЕРНОВ АНТОН ГРИГОРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ

РЕЗОНАНСНЫХ КОЛЕБАНИЙ В БАССЕЙНАХ

СО СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ

01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород – 2009

Работа выполнена на кафедре «Прикладная математика» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева и в лаборатории «Волновой динамики и прибрежных течений» Института морской геологии и геофизики ДВО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Куркин Андрей Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, Троицкая Юлия Игоревна кандидат физико-математических наук, доцент Козырев Олег Рамазанович

Ведущая организация: Институт океанологии РАН

Защита состоится «29» декабря 2009 г. в 15 часов на заседании диссертацион ного совета Д 212.165.10 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу:

603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, корп. 1, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государ ственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.

Автореферат диссертации размещен на сайте:

http://www.nntu.ru/RUS/aspir-doktor/avtoreferat/ Автореферат разослан «27» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н., доцент Л.Ю. Катаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации Гидродинамика сплошных сред является наиболее сложным разделом механики. Актуальность ее изучения связана с тем, что, как известно, все при родные явления являются нестационарными. Часто используемые понятия ста тических и стационарных процессов являются не более чем приближением ре альных явлений. Во многих же случаях учет динамических свойств среды про сто необходим как качественно, так и количественно.

За последние десятилетия гидродинамика развивалась чрезвычайно ин тенсивно, но ее развитие в значительной степени шло по прикладным направ лениям, а также в направлении усложнения доступных теоретическому расчету задач. К последним, относятся, в частности, разнообразные задачи о резонанс ных колебаниях и их развитии в жидкости. Уравнения, описывающие данные явления нелинейны и поэтому их прямое исследование и решение возможны лишь в сравнительно редких случаях. Благодаря этому развитие современной гидродинамической теории для описания пространственной структуры резо нансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией возможно лишь в не прерывной связи с численными и натурными экспериментами.

Исследованию резонансных колебаний в жидкости посвящено огромное число теоретических (аналитических и численных) и экспериментальных ис следований. Интерес к их изучению обусловлен несколькими взаимно допол няющими факторами. Основным из которых является распространенность дан ной формы волновых движений в природных условиях и наблюдается широкий динамический диапазон изменчивости их параметров. В земных условиях на блюдаются резонансные колебания с масштабами в несколько сотен километ ров, и в атмосфере, и в океане. Естественно, что в первую очередь важно пони мание интенсивных волн, содержащих значительную энергию, поведение кото рых в прибрежной зоне океана может быть достаточно сложным в силу нели нейных эффектов. Получены многочисленные данные наблюдений реальных цунами, например, Симуширское цунами 15 ноября 2006 г., Невельское цунами 2 августа 2007 г., Индонезийское цунами 3 января 2009 г., Симуширское цуна ми 15 января 2009 г., цунами от землетрясения в Самоа 29 сентября 2009 г. ин тенсивность и поведение которых в прибрежной зоне океана нельзя объяснить без привлечения теории резонансных колебаний в жидкости.

Имеется множество фактов, подтверждающих их обнаружение в волно вом поле в прибрежной зоне океана. Они рассматриваются в качестве одного из факторов долговременной эволюции неравномерной прибрежной береговой линии. Лабораторные эксперименты и грубые оценки характерных масштабов находятся в хорошем соответствии с реальным наблюдением прибрежных осо бенностей морфологии. Коротко-масштабные резонансные колебания играют определяющую роль во многих процессах прибрежной волновой динамики, та ких как кратковременные затопления прибрежной зоны, формирование и пере стройки прибрежного и донного рельефа, изменчивость вдольбереговых тече ний и др. Крупномасштабные резонансные колебания являются важной компо нентой движений воды, производимых циклонами, движущимися в прибреж ной зоне океана.

В этой связи, актуальным остается развитие гидродинамической теории для описания пространственной структуры резонансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией.

Цели диссертационной работы Основной целью диссертации является численное и экспериментальное изучение пространственной структуры резонансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией в рамках длинноволновых моделей гидродинамики иде альной несжимаемой жидкости. В частности, предполагается:

1. Разработать и реализовать методику изучения пространственной структуры резонансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией, основанную на экспериментальных и численных исследованиях 2. Изучить особенности пространственного распределения амплитуд нулевой и первой мод резонансных колебаний для различных форм бассейнов.

3. Доказать возможность существования резонансных колебаний в полуоткры тых акваториях вдоль градиента глубины.

Методы исследования Методология исследования опирается на современные информационно вычислительные технологии и основана на сочетании теоретических, числен ных и экспериментальных методов и подходов. При численном моделировании используются математические модели волновой гидродинамики;

эффективные вычислительные конечно-разностные алгоритмы;

алгоритмическая и низко уровневая оптимизация разработанных программных алгоритмов, а также их распараллеливания;

принципы и технологии создания проблемно ориентированных программных комплексов нового поколения, характеризую щиеся интегрированностью моделирующих, информационных и интерфейсных компонент. Для экспериментальных исследований используются разработан ные с участием автора автономные и кабельные регистраторы волновых про цессов АРВ – К10, АРВ – К11, АРВ – К11, СОМ-Тион.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами:

1. Усовершенствована численная модель решения уравнений нелинейной тео рии мелкой воды в разномасштабных бассейнах со сложной геометрией. Эта модель реализована в программном комплексе NAMI-DANCE 4.8 предна значенном для расчета длинноволновых процессов в океане в сферических координатах с учетом силы Кориолиса.

2. Разработано программное обеспечение для автономных регистрирующих комплексов для долговременной непрерывной регистрации волновых про цессов на шельфе. Применение данных автономных регистрирующих ком плексов в большом числе натурных экспериментов продемонстрировало эф фективность и надежность предложенных решений.

Проведен крупномасштабный долговременный эксперимент по регистрации 3.

длинноволновых процессов на шельфе морей Дальнего Востока России.

Впервые получено свыше 100 000 часов непрерывных записей волновых процессов с секундной дискретностью. На основе полученных в ходе экспе римента натурных данных и численного моделирования изучена простран ственная структура резонансных колебаний в бассейнах со сложной геомет рией.

Экспериментально и численно показано, что 8 – 10 минутные колебания, со 4.

ответствующие нулевой моде (мода Гельмгольца) возбуждаются под воздей ствием цунами. Пространственная структура этой моды является сильно не однородной, в частности возможно десятикратное увеличение амплитуды волны в удаленной от входа области бассейна.

Экспериментально и численно подтверждено существование резонансных 5.

колебаний в полуоткрытых акваториях, в случаях, когда градиент глубин на открытой границе ограничивает излучение волновой энергии.

Экспериментально и численно изучены резонансные эффекты при распро 6.

странении волн вдоль градиента глубин. В частности доказано существова ние захваченных волн с периодами около 90 мин и амплитудой 15 – 20 см.

распространяющихся между мысами Свободный и Терпения (расстояние 220 км) вдоль Охотоморской впадины.

Достоверность результатов Достоверность полученных результатов обоснована корректностью по становок задач, строгим использованием качественных и численных методов, сравнением результатов численного моделирования с результатами, получен ными в ходе экспериментальных исследований, обсуждением на научных се минарах и конференциях.

Практическая значимость результатов работы Полученные результаты, показывающие возможность образования резо нансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией, могут быть использо ваны для прогнозирования появления аномальных захваченных волн в океане, которые могут интенсифицировать процессы перераспределения донных нано сов и изменения береговой линии, а также приводить к аномальным и кратко временным наводнениям локального характера, наблюдаемым в прибрежной зоне. Ряд исследованных здесь эффектов должен проявляться в механике сжи маемого газа в приложении к динамике атмосферы в силу общности математи ческих моделей механики жидкости и газа.

Результаты настоящей работы были использованы при создании карты цунамирайонирования (НИР «Cоздание карты цунамиопасности Сахалинского побережья Татарского пролива в масштабе 1:200 000»).

Результаты настоящей работы могут быть использованы при разработке рекомендаций диспетчерам портовых служб, гидрометеорологическим и ава рийно-спасательным службами для уменьшения урона от опасных морских яв лений в портах Невельск, Холмск, Корсаков, Поронайск, Владивосток и на по бережье. Полученные результаты позволят повысить достоверность расчетов при строительстве и модернизации портов и других объектов на побережье и шельфе. Записи цунами могут быть полезны при решении проблемы конструи рования и настройки приборов для службы раннего оповещения цунами. Экс периментальные данные и результаты численного моделирования пространст венной структуры резонансных колебаний позволят оценить их вклад в биоло гические и экологические процессы.

Полученные результаты используются в российских и международных исследовательских проектах, выполняемых с участием автора диссертации.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались на сле дующих конференциях:

Генеральной Ассамблеи Европейского геофизического союза (Вена, Ав стрия, 2007, 2008);

Международной конференции «Литодинамика контактной зоны океана» (Москва, 2009);

Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (Таганрог – Ростов-на-Дону 2007, Уфа 2008, Кеме рово – Томск, 2009);

Всероссийской молодежной научно-технической конфе ренции «Будущее технической науки» (Н. Новгород, 2007, 2008);

II – IV Саха линских молодежных научных школах «Природные катастрофы: изучение, мо ниторинг, прогноз» (Южно-Сахалинск, 2007 – 2009);

Международной научно практической конференции по графическим информационным технологиям и системам (Н. Новгород, 2007, 2008);

Международной научно-технической кон ференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения»

(Москва, 2006).

Результаты диссертации неоднократно докладывались на семинарах Ин ститута Морской Геологии и Геофизики ДВО РАН, Нижегородского государст венного технического университета им. Р.Е. Алексеева, Института океанологии РАН, научной школы член-корреспондента РАН Б.В. Левина, Технического университета среднего востока, Анкара, Турция.

Публикации По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ, куда входят: статей в изданиях рекомендованных ВАК, 1 глава к книге, 5 статей в рецензи руемых журналах, 1 – в трудах международной конференции, 22 – в тезисах международных и российских конференций.

Личный вклад автора Работы с соавторами [Ч 1 – Ч 7, Ч 14, Ч 17, Ч 20] выполнены на паритет ных началах, а в работах [Ч 8 – Ч 13, Ч 15, Ч 16, Ч 18, Ч 20 – Ч 27, Ч 30 – Ч 35] личный вклад Чернова А.Г. является основным. В большинстве работ автору принадлежит выполнение натурных и численных экспериментов, а также уча стие в обсуждении и интерпретации полученных результатов.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литера туры, содержащего 135 наименований. Общий объем диссертации составляет 152 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту, практическая значимость результатов работы, апробация, список публикаций по теме диссер тации.

Первая глава является в основном вводной, в ней обсуждаются основ ные подходы, применяемые к изучению резонансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией. Рассмотрены основные уравнения, описывающие явление топографический захвата для различных геометрий шельфа – бесконечный от кос, шельф-ступенька, экспоненциальный шельф. Описана, разработанная и ап робированная в ходе экспериментальных исследований, методика изучения пространственной структуры резонансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией, базирующаяся на комбинации долговременных натурных наблю дений за волновыми процессами в нескольких точках акватории и численного моделирования длинноволновых процессов программным комплексом на осно ве уравнений нелинейной теории мелкой воды, реализуемых в конечных разно стях, а так же технологии обработки результатов наблюдений и численного мо делирования методами спектрального анализа. Дано краткое описание прибор ного парка, разработанного при участии автора, который был использован при получении экспериментальных данных, использованных в настоящей работе.

Рассмотрены основные изменения, внесенные в программный комплекс NAMI DANCE, используемый для численного моделирования. При расчетах длинно волновых процессов на небольших акваториях в нем используется классическая нелинейная теория мелкой воды M2 gm M MN M M2 N gD 0, (1) 7/ t xD yD x 2D N2 gm N MN N M2 N2 0, (2) gD 7/ t xD yD y 2D M N 0, (3) t x y где смещение водной поверхности, t – время, x и y – горизонтальные коор динаты, M и N – компоненты расхода воды вдоль осей x и y, D = h(x, y) + полная глубина и h(x, y) – невозмущенная глубина воды, g – гравитационная постоянная, m – коэффициент шероховатости дна (используется формула Ман нинга для параметризации донного трения). В рамках такой модели диссипация волновой энергии в придонном турбулентном слое параметризуется квадратич ным трением. Отметим, также, что приливы и ветровые нагоны в задачах цуна ми не учитываются, поскольку их временные масштабы отличаются от харак терных периодов цунами.

На морских границах расчетных областей (например, в проливах) ставит ся условие свободного ухода, которое является точным в рамках линейной тео рии мелкой воды и простейшей геометрии 0, (4) gh t n где производная от уровня вычисляется по нормали к внешней границе расчет ной области.

На береговой границе задается либо условие полного отражения 0 (5) n (обычно эта граница выбирается на глубине 10 – 20 м в последних морских точках), либо условие набегания волны на берег, так что система мелкой воды решается в области с подвижной границей D h ( x, y ) 0. (6) Усовершенствованная автором конечно-разностная реализация данной модели, входящая в состав исследовательского комплекса NAMI-DANCE [Кур кин, 2005;

Yalciner, Pelinovsky, et all, 2007;

Ч 11;

Ч 17;

Ч 30], использовалась в настоящей работе. NAMI-DANCE, предназначенный изначально для моделиро вания цунами и являющийся модификацией известного японского кода TU NAMI, был доработан, в частности, для решения задач моделирования свобод ных колебаний в заливах и бухтах:

Изменена система сохранения данных, если для моделирования цунами в первую очередь важна общая картина распространения волн по всему иссле дуемому бассейну и в меньшей степени мареографные записи в конкретных точках, то в настоящей работе необходимо получение записей на равномерной сетке цифровых мареографов включенных в модель за достаточно длительное время.

Основные вычислительные процедуры распараллелены для многопроцес сорных систем с общей памятью (SMP) для увеличения скорости расчетов [Ч 30]. В настоящее время использование распараллеленной версии дает двух кратное превосходство в скорости расчетов на процессорах типа Intel Core2 уже широко распространенных на ноутбуках и рабочих станциях.

Используемая методика расчетов, является развитием идей изложенных в [Pelinovsky, Yalciner, 2007] для случая замкнутых акваторий. В качестве на чальных условий при численных экспериментах задавалось положительное возвышение водной поверхности эллиптического типа:

x2 y ( x, y, t 0) H1. (7) ( x0 d1 ) 2 ( y0 d 2 ) Временной шаг для расчета выбирался из условия Куранта для конечно разностных схем:

xу ghmax, (8), tt где х и у – шаг расчетной сетки по осям х и у (в наших расчетах расстояния между узлами сетки по оси х и у одинаковые);

t – шаг по времени;

hmax – мак симальная глубина бассейна.

Равномерная сетка «цифровых мареографов» – точек, в которых сохраня лось возвышение свободной поверхности воды, задается на каждом шаге по времени. Мареографы устанавливаются в точках удаленных от берега не менее чем на один узел расчетной сетки, что определяется особенностью вычисления граничных условий на границе «берег – море», на глубинах более двух метров.

Расчет проводится на время достаточное для получения устойчивых статисти ческих оценок спектральной плотности мощности (СПМ) волнового процесса.

В качестве метода оценки СПМ использовался метод Уэлча [Марпл-мл., 1990].

Полученные оценки спектральной плотности мощности сравниваются с резуль татами спектрального анализа натурных данных в соответствующих точках, близких к месту установки донных регистраторов гидростатического давления, кабельных или автономных. По графику СПМ находятся частоты устойчивых колебаний (пики на графике) и для них вычисляется средняя спектральная ам плитуда для соответствующего пика:

A( j) S ( )d. (9) Полученные в ходе численных и натурных экспериментов данные ис пользуются далее для построения и изучения карт распределений спектральных амплитуд.

Во второй главе рассмотрены результаты применения методики иссле дования резонансных колебаний для бассейнов со сложной геометрией, на примере экспериментальных исследований, проведенных при непосредствен ном участии автора, на различных акваториях Дальневосточных морей России.

Рассматриваются особенности проявления близких и удаленных цунами на примере бассейна с узким входом (бухта торгового порта Холмск). Исследова на особенность усиления нулевой моды собственных колебаний при совпаде нии резонансной частоты с частотой внешнего шельфа. Выполнен анализ на турных данных, полученных при проведении натурных экспериментов в аква тории бухты для штормовых условий и при регистрации волн цунами от уда ленного (Симуширского, 2006) и близкого (Невельского, 2007) источников. По казано, что при шторме происходит значительное усиление колебаний на пе риоде 2,8 мин, соответствующем первой моде сейшевых колебаний при слабом усилении на периоде 8 мин (нулевая мода сейши). Доказано, что значительное усиление волн цунами на периоде 8 мин обусловлено совпадением периодов нулевой моды сейши бухты и моды шельфового резонанса прилегающего рай она. Исследована пространственная структура сейшевых колебаний с периодом 2,8 и 8 минут (рис. 2,а,б).

а) б) Рис. 2. Пространственные распределения средней амплитуды колебаний для резонансных периодов 2,8 (а) и 8 мин (б) в Холмской бухте а) б) Рис. 3. Пространственные распределения средней амплитуды колебаний для резонансных периодов 10,5 (а) и 2,7 мин (б) в бухте Алексеева Для акваторий с широким входом, на примере бухты Алексеева на остро ве Попова, исследована пространственная структура нулевой (мода Гельмголь ца) [Рабинович, 1993] и первой мод свободных колебаний в случае, когда свал глубин на свободной границе ограничивает излучение волновой энергии во внешнюю акваторию. Показано, что при этом узловая линия располагается по перек бухты, а сами волновые движения происходят между удаленной частью бухты и градиентом глубин на выходе (рис. 3,б). Экспериментально подтвер ждена возможность десятикратного усиления длинноволновых колебаний в диапазоне волн цунами внутри акватории по сравнению с внешним шельфом (рис. 3,а).

На основе анализа данных натурных экспериментов выявлены собствен ные колебания залива Терпения с периодом 39 и 90 минут, особенно хорошо проявляющиеся в районе мысов Терпения и Свободный. При сравнении син хронных записей натурных данных с регистраторов, установленных в районах Охотского, Остромысовки, Взморья, Поронайска, м. Терпения [Ч 8;

Ч 10;

Ч 12] выявлено убывание энергии этих колебаний в глубине залива и усиление в рай оне мысов Терпения и Свободный. Численное моделирование подтвердило вы вод о том, что резкий градиент глубин играет роль волновода для захваченных волн с данными периодами.

В третьей главе рассмотрены результаты экспериментальных исследова ний длинноволновых процессов, выполненных на Курильских островах на раз несенной сети автономных регистраторов гидростатического давления и темпе ратуры, которые были установлены в труднодоступных точках в районе мысов Кастрикум и Ван-дер-Линда (о. Уруп) и м. Ловцова (о. Кунашир), в бухтах Церковная и Малокурильская (о. Шикотан). Развертывание сети непрерывных долговременных наблюдений за волновыми процессами на Курильских остро вах было выполнено при непосредственном участии автора. Впервые были по лучены длительные – от пяти месяцев до года синхронные цифровые записи волновых процессов с секундной дискретностью.

В результате были получены записи трех цунами – Индонезийского 3 ян варя 2009 года (только в бухте Малокурильская), Симуширского 15 января 2009 года (в бухте Малокурильская, в Курильске и на м. Ван-дер-Линда) и от землетрясения в Самоа 29 сентября 2009 года (м. Терпения, м. Ван-дер-Линда м. Ловцова, Южно-Курильск, б. Малокурильская, б. Подмаячная). Кроме того, была получена запись волновых процессов для различных погодных условий в различные сезоны, что позволило выявить резонансный отклик шельфа [Кули ков, 1987] на различные события – близкие и удаленные цунами, прохождение барических возмущений.

Было также выполнено моделирование трансокеанского Чилийского цу нами 1960 г., являющегося одним из наиболее сильных событий для данного района. Цифровые мареографы были установлены в точках, где установлены автономные регистраторы сети непрерывных наблюдений. Сравнение спек тральных оценок плотности мощности показало хорошее согласие наблюдае мых и модельных частот, в частности для Охотоморского шельфа о. Уруп ос новной период шельфового резонанса составляет около 20 минут (рис. 4). Схо жие оценки были получены в [Файн, 1980, 1984].

Необходимо отметить, что полученные численно и экспериментально оценки частотно-избирательных свойств акватории и выявленные существен ные отличия характера отклика колебаний уровня моря на различных станциях, на штормовые условия, и слабое цунами могут быть полезны при создании сис темы оперативного предупреждения опасных морских явлений (цунами).

В Заключении перечислены основные результаты диссертационной ра боты.

Рис. 4. Оценки спектральной плотности мощности для полученных экспериментально (верхний ряд )записей волновых процессов на шельфе о. Уруп и для модельных записей Чилийского цунами 1960 г (внизу) ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Усовершенствована численная модель решения уравнений нелинейной тео рии мелкой воды в разномасштабных бассейнах со сложной геометрией. Эта модель реализована в программном комплексе NAMI-DANCE 4.8 предна значенном для расчета длинноволновых процессов в океане в сферических координатах с учетом силы Кориолиса.

2. Разработано программное обеспечение для автономных регистрирующих комплексов для долговременной непрерывной регистрации волновых про цессов на шельфе. Применение данных автономных регистрирующих ком плексов в большом числе натурных экспериментов продемонстрировало эф фективность и надежность предложенных решений.

3. Проведен крупномасштабный долговременный эксперимент по регистрации длинноволновых процессов на шельфе морей Дальнего Востока России.

Впервые получено свыше 100 000 часов непрерывных записей волновых процессов с секундной дискретностью. На основе полученных в ходе экспе римента натурных данных и численного моделирования изучена простран ственная структура резонансных колебаний в бассейнах со сложной геомет рией.

4. Экспериментально и численно показано, что 8 – 10 минутные колебания, со ответствующие нулевой моде (мода Гельмгольца) возбуждаются под воздей ствием цунами. Пространственная структура этой моды является сильно не однородной, в частности возможно десятикратное увеличение амплитуды волны в удаленной от входа области бассейна.

5. Экспериментально и численно подтверждено существование резонансных колебаний в полуоткрытых акваториях, в случаях, когда градиент глубин на открытой границе ограничивает излучение волновой энергии.

6. Экспериментально и численно изучены резонансные эффекты при распро странении волн вдоль градиента глубин. В частности доказано существова ние захваченных волн с периодами около 90 мин и амплитудой 15 – 20 см.

распространяющихся между мысами Свободный и Терпения (расстояние 220 км) вдоль Охотоморской впадины.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Куликов Е. А. Генерация шельфовых волн атмосферными возмущениями // Известия АН СССР. ФАО. 1987. Т. 23. № 7. С. 769 – 776.

2. Куркин А.А. Нелинейная и нестационарная динамика длинных волн в при брежной зоне. – Н. Новгород: НГТУ, 2005. 330 с.

3. Марпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / Пер. с англ. – М.: Мир, 1990.

4. Рабинович А.Б. Длинные гравитационные волны в океане: захват, резонанс, излучение. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 326 с.

5. Файн И.В. Расчет захваченных волн для района Курильской гряды // В сб.:

Волновые процессы в северо-западной части Тихого океана. - Владивосток:

ДВНЦ АН СССР, 1980. С. 87 – 92.

6. Файн И.В. Частотные свойства Курильского шельфа. // Генерация цунами и выход волн на берег. – М., 1984. С. 80 – 83.

7. Yalciner A.C., Pelinovsky E. A short cut numerical method for determination of periods of free oscillations for basins with irregular geometry and bathymetry // Ocean engineering. V. 34. 2007. С. 747 – 757.

8. Yalciner A.C., Pelinovsky E., Zaytsev A., Kurkin A., Ozer C., Karakus H., Ozyurt G. Modeling and visualization of tsunamis: Mediterranean examples // Tsunami and Nonlinear Waves (Ed: Anjan Kundu), Springer. 2007. C. 273 – 283.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях рекомендованных ВАК:

Ч 1. Зайцев А.И., Ковалев Д.П., Левин Б.В., Пелиновский Е.Н., Чернов А.Г., Ялчинер А. Невельское цунами 2 августа 2007 года: инструменталь ные данные и численное моделирование. // Доклады академии наук. 2008.

Т. 421. № 2. С. 1 – 4.

Ч 2. Зайцев А.И., Ковалев Д.П., Левин Б.В., Пелиновский Е.Н., Чернов А.Г., Ялчинер А. Цунами на Сахалине 2 августа 2007 года: мареографные данные и численное моделирование. // Тихоокеанская геология. 2009. Т.

28. № 5. С. 30 – 35.

Ч 3. Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Ковалев Д.П., Чернов А.Г., Золотухин Д.Е. Регистрация Симуширского и Невельского цунами в порту города Холмска. // Тихоокеанская геология. 2009. Т. 28. № 5. С. 36 – 43.

Ч 4. Левин Б.В., Чернов А.Г., Шевченко Г.В., Ковалев П.Д., Ковалев Д.П., Куркин А.А., Лихачева О.Н., Шишкин А.А. Первые результаты регистра ции длинных волн в диапазоне периодов цунами в районе Курильской гряды на разнесенной сети станций. // Доклады академии наук. 2009. Т.

427. № 2. С. 1 – 6.

Ч 5. Шевченко Г.В., Ковалев П.Д., Богданов Г.С., Шишкин А.А., Лоскутов А.А., Чернов А.Г. Регистрация цунами у берегов Сахалина и Курильских островов. // Вестник ДВО. 2008. № 6. С. 23 – 33.

Ч 6. Шевченко Г.В., Чернов А.Г., Горин И.И., Ковалев П.Д. Эксперимен тальные исследования волновых процессов в бухте Алексеева (о. Попо ва). // Вестник ДВО. 2009.

В книгах:

Ч 7. Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Ковалев Д.П., Чернов А.Г. Глава 7 в книге «Невельское землетрясение и цунами 2 августа 2007 года» // Под ред. Левина Б.В., Тихонова И.Н. – М.: Янус-К, 2009. 204 с.

В рецензируемых журналах:

Ч 8. Лухнов А.О., Ковалев П.Д., Куркин А.А., Полухина О.Е., Чернов А.Г.

Организация и проведение натурного эксперимента по изучению волно вой динамики на восточном шельфе о. Сахалин // Изв. АИН им. А. М.

Прохорова. Прикладная математика и механика. 2007. Т. 20. С. 33 – 39.

Ч 9. Лухнов А.О., Чернов А.Г., Куркин А.А., Полухина О.Е. Проблемы создания аппаратно-программного комплекса для исследования гидроди намики шельфовой зоны // Известия АИН им. А.М. Прохорова. Приклад ная математика и механика. 2006. Т. 18. С. 120 – 123.

Ч 10. Чернов А.Г., Ковалев П.Д., Куркин А.А., Шевченко Г.В., Лухнов А.О.

Исследование особенностей гидродинамических условий прилегающего к озеру Изменчивое участка взморья // Известия АИН им. А. М. Прохорова.

Прикладная математика и механика. 2007. Т. 20. С. 8 – 16.

Ч 11. Чернов А.Г., Лухнов А.О., Куркин А.А., Полухина О.Е. Развертыва ние распределенной вычислительной системы на основе открытых техно логий // Известия АИН им. А. М. Прохорова. Прикладная математика и механика. 2006. Т. 18. С. 111 – 114.

Ч 12. Чернов А.Г., Лухнов А.О., Куркин А.А., Полухина О.Е., Ковалев П.Д., Ковалев Д.П. Натурный эксперимент по регистрации захваченных волн в районе м. Острый (Охотское море) // Известия АИН им. А.М. Прохорова.

Прикладная математика и механика. 2006. Т. 18. С. 91 – 98.

В трудах международных и всероссийских конференций:

Ч 13. Безрук И.В., Полухина О.Е., Чернов А.Г. Исследование приливных внутренних волн в Охотском и Японском морях (по результатам числен ного моделирования) // Сборник материалов II Сахалинской молодежной научной школы «Природные катастрофы: изучение, мониторинг, про гноз», 4 – 10 июня 2007 г. / отв. ред. О.Н. Лихачева. – Южно – Сахалинск:

ИМГиГ ДВО РАН, 2008. С. 192 – 197.

В тезисах международных и российских конференций:

Ч 14. Chernov A.G., Kurkin A.A., Lukhnov A.O., Kovalev D.P., Shevchenko G.V. Instrumental water level measurements in the Sea of Okhotsk shelf and analysis of the results // Geophysical research abstracts. 2008. V. 10. Р. 10332.

Ч 15. Chernov A.G., Kurkin A.A., Lukhnov A.O., Kuznetsov K.I. Sakhalin isl and coastal zone wave dynamics under the ice: in-situ measurements and ob served data analysis // Geophysical research abstracts. 2008. V. 10. Р. 10373.

Ч 16. Kurkin A.A., Chernov A.G., Bezruk I.V., Kuznetsov K. I. Field observa tions of sea surface state near Ostry cape (eastern shelf of Sakhalin Island) // EGU General Assembly, Vienna, Austria, April 15-20, 2007. Geophysical re search abstracts, Vol. 9, EGU07-A-05358, European Geosciences Union 2007.

Ч 17. Yalciner A.C., Zaytsev A., Chernov A., Ozer C., Dilmen D. I., Insel I., Pe linovsky E., Kurkin A., Karakus H., Kanoglu U. Database Development by Modeling for Tsunami Mitigation Strategies for Fethiye Town Turkey // Geo physical research abstracts. 2008. V. 10. Р. 06811.

Ч 18. Zaitsev A.I., Kovalev D.P., Kurkin A.A., Levin B.V., Pelinovsky E., Chernov A.G., Yalciner A.C The 2007 Sakhalin Island tsunami: observations and modeling // Geophysical research abstracts. 2008. V. 10. Р. 02306.

Ч 19. Горбунов А.О., Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Чернов А.Г. Изучение условий замывания протоки озера Изменчивое (о. Сахалин) // Литодина мика донной контактной зоны океана: Материалы Международной кон ференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.В.

Лонгинова. – Москва, ИО РАН. М.: ГЕОС, 2009. – С. 72-74.

Ч 20. Ковалев П.Д., Иволгин В.И., Ковалев Д.П., Куркин А.А., Чернов А.Г.

Приборное обеспечение исследований гидродинамики в прибрежной зоне моря // Литодинамика донной контактной зоны океана: Материалы Меж дународной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения про фессора В.В. Лонгинова. – Москва, ИО РАН. М.: ГЕОС, 2009. С. 149-150.

Ч 21. Ковалев П.Д., Куркин А.А., Полухина О.Е., Лухнов А.О., Чернов А.Г.

К вопросу создания измерительного комплекса для морских исследова ний // Материалы международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения». 24 28 октября 2006 г., г. Москва. – Москва: МИРЭА, 2006. Ч. 2. С. 120 – 122.

Ч 22. Кузнецов К.И., Безрук И.В., Куркин А.А., Чернов А.Г. Первичная об работка результатов натурного эксперимента по регистрации краевых волн // Сб. тезисов, материалы Тринадцатой Всероссийской научной конф. студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-13, Ростов-на Дону, Таганрог): Материалы конференции, тез. докладов. Екатеринбург – Ростов-на-Дону – Таганрог: Изд-во АСФ России. 2007. С. 541 – 542.

Ч 23. Кузнецов К.И., Куркин А.А., Чернов А.Г. Спектральный анализ вол новых режимов Охотского моря // Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике. 14-16 ноября 2007 г. Материа лы конференции. Владивосток. Изд-во Дальневосточного университета.

2007. С. 95 – 96.

Ч 24. Кузнецов К.И., Чернов А.Г., Куркин А.А. Изучение особенностей гидродинамических условий в шельфовой зоне Охотского моря // Сбор ник тезисов, материалы Четырнадцатой Всероссийской научной конфе ренции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-14, Уфа): Мате риалы конференции, тезисы докладов. Екатеринбург – Уфа: Изд-во АСФ России. 2008. С. 463 – 464.

Ч 25. Кузнецов К.И., Чернов А.Г., Куркин А.А. Исследование волновых режимов южной части Охотского моря по результатам годовых непре рывных наблюдений // Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз: тезисы докладов Третья Сахалинской молодежной школы, Юж но-Сахалинск, 3-6 июня 2008 г./ отв. Ред. О.Н. Лихачева. – Южно Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2008. С. 114 – 117.

Ч 26. Куркин А.А., Полухина О.Е., Лухнов А.О., Чернов А.Г., Кузнецов К.И. Информационное обеспечение экспериментов по исследованию вол новой динамики шельфовой зоны // Материалы международной научно технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектрон ного приборостроения». 24-28 октября 2006 г., г. Москва. – Москва: МИ РЭА, 2006. Ч. 2. С. 109 – 112.

Ч 27. Лухнов А.О., Куркин А.А., Полухина О.Е., Чернов А.Г. Создание рас пределенной вычислительной системы для решения задач математиче ского моделирования геофизических процессов с использованием откры тых технологий // КОГРАФ 2007-2008. Материалы Международной на учно-практической конференции по графическим информационным тех нологиям и системам. Н. Новгород: НГТУ, 2008. С. 4 – 6.

Ч 28. Чернов А.Г. Метод изучения пространственной структуры свободных колебаний в заливах и бухтах Сахалина // Природные катастрофы: изуче ние, мониторинг, прогноз: тезисы докладов Четвертая Сахалинской мо лодежной школы, Южно-Сахалинск, 2-5 июня 2009 г./ отв. Ред. О.Н. Ли хачева. – Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2009. С. 111 – 113.

Ч 29. Чернов А.Г. Натурные наблюдения и численное моделирование резо нансных колебаний в заливе Терпения (Охотское море) // Сборник тези сов, материалы Пятнадцатой Всероссийской научной конференции сту дентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-15, Кемерово - Томск): Ма териалы конференции, тезисы докладов. Екатеринбург – Ростов-на-Дону – Таганрог: Изд-во АСФ России. 2007. С. 557 – 558.

Ч 30. Чернов А.Г., Зайцев А.И., Куркин А.А. Оптимизация программного комплекса моделирования волн цунами AVI-NAMI для многопроцессор ных систем // КОГРАФ 2007-2008. Материалы Международной научно практической конференции по графическим информационным техноло гиям и системам. Н. Новгород: НГТУ, 2008. С. 10 – 11.

Ч 31. Чернов А.Г., Кузнецов К.И., Куркин А.А. Исследование длинновол новых колебаний в южной части Охотского моря // Сб. тезисов, материа лы Четырнадцатой Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (ВНКСФ-14, Уфа): Материалы конф., тез.

докладов. Екатеринбург – Уфа: Изд-во АСФ России. 2008. С. 478 - 479.

Ч 32. Чернов А.Г., Кузнецов К.И., Куркин А.А. Исследование длинновол новых колебаний в южной части Охотского моря // Сборник тезисов, ма териалы Четырнадцатой Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (ВНКСФ-14, Уфа): Материалы конф., тезисы докладов. Екатеринбург – Уфа: Изд-во АСФ России. 2008. С. 478 – 479.

Ч 33. Чернов А.Г., Кузнецов К.И., Куркин А.А., Шевченко Г.В. Исследова ние влияния волн на трансформацию береговой линии (по результатам натурных наблюдений) // Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз: тезисы докладов Третья Сахалинской молодежной школы, Юж но-Сахалинск, 3-6 июня 2008 г./ отв. Ред. О.Н. Лихачева. – Южно Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2008. С. 117 – 120.

Ч 34. Чернов А.Г., Куркин А.А., Лухнов А.О., Полухина О.Е. Методика ис следования опасных морских явлений шельфовой зоны // Материалы ме ждународной научно-технической конференции «Фундаментальные про блемы радиоэлектронного приборостроения». 24-28 октября 2006 г., г.

Москва. – Москва: МИРЭА, 2006. Ч. 2. С. 113 – 115.

Ч 35. Чернов А.Г., Куркин А.А., Лухнов А.О., Полухина О.Е. Особенно сти применения информационных технологий при проведении натурных геофизических экспериментов // КОГРАФ 2007-2008. Материалы Меж дународной научно-практической конф. по графическим информацион ным технологиям и системам. Н. Новгород: НГТУ, 2008. С. 12 – 13.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Введение Глава 1. Аналитические и численные методы изучения пространственной структуры резонансных колебаний жидкости 1.1 Введение 1.2 Сейши в закрытых акваториях 1.2.1 Причины возникновения 1.2.2 Основные элементы волн и их аналитическое выражение 1.2.3 Периоды сейшевых колебаний уровня 1.2.4 Затухание стоячих колебаний уровня во времени 1.3 Топографический захват на шельфе 1.3.1 Бесконечный откос 1.3.2 Шельф-ступенька 1.3.3 Вогнутый экспоненциальный шельф 1.4 Методика исследования пространственной структуры резонансных колеба ний.

1.4.1 Приборы и методы для натурных наблюдений за колебаниями уров ня жидкости в открытых акваториях 1.4.2 Стационарный комплекс для оперативной регистрации опасных морских явлений 1.4.3 Математическое моделирование 1.4.4 Метод обработки результатов 1.5 Выводы Глава 2. Экспериментальное и численное исследование длинноволновых колебаний в бассейнах со сложной геометрией 2.1 Введение 2.2 Особенности проявления цунами в Холмской бухте 2.2.1 Организация экспериментальных измерений в порту г.Холмск 2.2.2 Регистрация цунами 2.2.3 Влияние собственных колебаний на формирование цунами 2.3 Свободные колебания в б.Алексеева 2.3.1 Организация эксперимента и характеристика полученных материа лов 2.3.2 Анализ полученных материалов 2.3.3 Численное моделирование длинноволновых колебаний 2.4 Длинноволновые колебания в заливе Терпения 2.5 Выводы Глава 3. Особенности шельфового резонанса на примере Курильских ост ровов 3.1 Введение 3.2 Организация непрерывной регистрации длинноволновых процессов 3.3 Моделирование резонансных колебаний под воздействием близких и уда ленных цунами 3.4 Выводы Заключение Список литературы Чернов Антон Григорьевич ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ РЕЗОНАНСНЫХ КОЛЕБАНИЙ В БАССЕЙНАХ СО СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ Автореферат Подписано в печать 23.11.2009. Формат 60 84 1/ Бумага офсетная № 1. Усл. печ. л. 1.

Тираж 150 экз. Заказ.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина,

 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.