國際頂級期刊發文！哈爾濱工程大學科研團隊取得內波動力學研究新突破！

近日，哈爾濱工程大學船舶工程學院段文洋教授團隊聯合國防科技大學、夏威夷大學、俄羅斯科學院西伯利亞分院拉夫連季耶夫水動力學研究所，在流體力學領域國際頂級期刊《Journal of Fluid Mechanics》發表最新研究成果。該研究成功將兩層高階Green-Naghdi（HLGN）內波模型拓展至時變邊界問題，首次揭示了移動擾動與背景剪切流對內生孤立波的調制機制，為復雜海洋環境下的內波預測提供了全新的理論工具。本文第一作者為船舶學院博士后張天鈺，通訊作者為船舶學院教授趙彬彬。

在海洋深處還存在著另一種"隱形波浪"——內孤立波。這種波浪發生在密度不同的海水層交界處，振幅可達幾十米甚至上百米，傳播速度快，能量巨大，對水下航行器、海洋平臺、海底管線等海洋工程設施有著重要影響。

長期以來，科學家們一直在尋找能夠準確預測內波生成和演化的數學模型。早期的KdV模型雖然形式簡單，但只能適用于波浪幅度較小的情況；后來發展的MCC模型雖然能處理大振幅內波，但又只適用于淺水區域，無法模擬深水環境下的內波運動。

高階Green-Naghdi（HLGN）模型是近年來發展起來的一種先進理論模型，它既可以處理強非線性的大振幅波浪，又能兼顧色散效應，同時適用于深水和淺水場景，此前已經在表面波模擬、海嘯預測等領域取得了成功應用。然而，傳統的HLGN模型存在兩個明顯的短板：一是無法處理移動邊界問題，如水下滑坡、船舶航行等移動擾動引發的內波；二是難以納入海洋中普遍存在的剪切流效應，而這些都是實際海洋環境中非常常見的情況。

針對這些不足，科研團隊開展了系統性的研究工作，實現了三大核心創新：

模型拓展：突破傳統勢流理論難以考慮有旋問題的局限

科研團隊以兩層流體系統為研究對象，考慮海水密度分層的實際情況，通過對速度分量進行多項式展開近似，將HLGN模型成功拓展到了時變邊界條件下，使得模型首次能夠模擬移動海底、表面擾動等動態邊界引發的內波生成過程。

算法優化：開發高效穩定的時域數值算法

為了提高模型的計算效率和穩定性，科研團隊推導了速度系數的顯式表達式，將未知數數量減少了1個，大大簡化了方程結構。時間離散采用四階Adams-Bashforth預測-校正格式，空間導數通過四階精度的五點中心差分格式計算，同時引入五點平滑濾波技術，有效抑制了Kelvin-Helmholtz不穩定性，確保大振幅內波能夠長時間穩定傳播。

效應融合：首次實現剪切流場中的內波模擬

科研團隊通過遠場邊界條件引入線性剪切流效應，突破了傳統勢流理論難以考慮旋轉效應的局限，首次實現了HLGN模型對剪切流場中內波生成與演化的模擬，使得模型更加貼近真實海洋環境。

在實際應用中，該模型可用于水下滑坡引發的內波預測、船舶航行"死水效應"（dead-water phenomenon）分析、極地冰面車輛運動產生的內波模擬等場景。此外，模型框架可進一步拓展至非勻速擾動、傾斜邊界運動等更復雜情況，具有廣闊的延伸潛力。

這項研究不僅豐富了內波動力學的理論體系，更為海洋工程設計、水下航行安全保障等實際問題提供了強大的數值工具，助力人類更精準地認知和應對復雜海洋環境中的內波現象。

團隊介紹

流體力學“興海”學術團隊具有良好的歷史傳承和研究基礎。近20年來，針對船舶與海洋工程裝備和高性能艦船發展需求，團隊在段文洋教授的帶領下，深入開展了船舶與海洋結構物水動力性能理論研究與應用研究工作，取得了很多創新性研究成果，支撐了高層次人才培養工作和國家船海裝備研發需求。近5年來，團隊獲中國造船工程學會科技進步特等獎1項，中國航海學會科技進步二等獎1項，黑龍江省師德先進個人1人，黑龍江省普通高等學校教學名師1人，國家級一流本科課程1項，省級研究生精品課程1項。團隊獲得省勞模和工匠人才創新工作室、省“頭雁”團隊，團隊成員作為首席科學家支撐了教育部極端海洋波動場前沿科學中心、科技部船舶與海洋工程力學國際聯合研究中心等。團隊現有教師24人(正高級職稱9人，副高級職稱11人，中級職稱4人)，其中國家級人才1人、國家級青年人才3人。

• 信息來源:哈爾濱工程大學船舶學院公眾號。

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