海洋流場渦旋特征提取及可視化研究.pdf

1、海洋中的流場是典型的非線性動力系統(tǒng)。海洋中的特征結(jié)構(gòu)不僅能對海洋中的細(xì)微結(jié)構(gòu)和大、中尺度海洋現(xiàn)象的產(chǎn)生、演化及動力機(jī)制發(fā)生重大影響，在經(jīng)濟(jì)、社會和軍事上也具有特殊含義。海洋上的渦旋，無處不在，到處旋轉(zhuǎn)，攪亂海水的穩(wěn)定性，給海洋生物和海洋漁業(yè)造成了很嚴(yán)重的破壞，對船運也會造成巨大的影響，所以研究渦旋等海洋流場特征的可視化有著重大的意義和科學(xué)價值。 本文首先對當(dāng)前發(fā)展的特征可視化的理論與方法進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，并對流線可視化技術(shù)作了全

2、面的研究。近年來，國內(nèi)外在特征可視化方面展開了很多研究，雖然有些研究成果已經(jīng)適用于復(fù)雜海洋流場的可視化，但是在對弱渦旋等海洋潛在流場特征的可視化方面沒有突破性的進(jìn)展。目前有文獻(xiàn)將平面向量場分解技術(shù)應(yīng)用到海洋流場特征可視化中，對尺寸大而流速小的弱渦旋的檢測有一定的成效，但是向量場分解應(yīng)用到流場中會在流場邊界產(chǎn)生較大的誤差，使得基于分解的渦旋提取的方法原則上不適用于邊界區(qū)域，本文在此基礎(chǔ)上對邊界進(jìn)行了網(wǎng)格增量構(gòu)造，使得邊界附近的區(qū)域成為屬于

3、分解算法涉及范圍的內(nèi)點，彌補(bǔ)了邊界上渦旋檢測不到的缺陷。通過實驗證明，該方法具有一定的實用價值。 在現(xiàn)有的流場渦旋特征區(qū)域的眾多提取方法中，大多需要比較復(fù)雜的計算，要求偏導(dǎo)數(shù)或者解函數(shù)方程等，因此需要找到一種快速直觀的提取渦旋特征的方法，提高計算效率。本文在已有的流場特征可視化的研究和分析的基礎(chǔ)上，在保證可視化的準(zhǔn)確性和直觀性的前提下，提出一種基于組合拓?fù)鋵W(xué)中的Sperner引理的渦核定位方法，該方法通過遍歷矢量場中每一個三角網(wǎng)

4、格頂點，判斷其速度矢量方向，如果滿足三角網(wǎng)格完全標(biāo)號準(zhǔn)則，即可以認(rèn)為該網(wǎng)格單元為渦核區(qū)域的候選單元，該網(wǎng)格附近可能存在一個渦旋。將其應(yīng)用于海洋調(diào)查數(shù)據(jù)中，并采用數(shù)值積分方法對流場矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行流線提取，得到海洋調(diào)查數(shù)據(jù)的矢量場可視化圖像，與現(xiàn)有的海洋流場渦旋提取技術(shù)做了比較，驗證了算法的有效性及實用性，顯示出特征可視化技術(shù)在物理海洋及流體力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。最后對渦旋特征做了多尺度描述，通過設(shè)計尺度選擇因子K，用戶可以交互控制實現(xiàn)不同尺度