Collaborative Research: Water Waves - Nonlinearity, Dissipation and Forcing

合作研究:水波 - 非线性、耗散和强迫

基本信息

  • 批准号:
    1716156
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 10万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-07-15 至 2021-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Waves on the ocean's surface play important roles in weather forecasting and climate modeling, in the safety of coastal communities and offshore industries, and in overseas shipping. In this project, the investigators focus on physical effects that are often approximated or neglected altogether, but that are needed to predict accurately the observed behavior of ocean waves. Examples include the dissipation of ocean swell during propagation across the deep ocean and subsequently onto the shoreline; the time-dependence of wind in the wave-generation process; and dispersion of waves in shallow water. The inclusion of dissipation will lead to a better understanding of how wave energy evolves. The inclusion of time-dependence in the wind that generates waves will allow for a better understanding of the initial period during which energy is transferred from air to water. The inclusion of dissipation and dispersion in models for shallow-water waves will allow for better predictive capabilities of waves in coastal areas. The research tools of the investigators include modeling, analysis, computer simulations, and laboratory experiments. While the emphasis is on water waves, for which they can conduct laboratory experiments, the mathematical analysis is more broadly applicable to other physical systems and is of interest in the study of partial differential equations.The investigators propose analytic, numerical, and experimental investigations of the following: (A) Deep-water waves. They consider the frequency downshifting of freely propagating waves and wave generation due to wind. They are considering two models of frequency downshifting that differ in how the rotational part of the flow is modeled. To model wind-generated waves, they are allowing for time-dependent shear flows in both the air and water. The resulting stability problem for waves is non-standard, and understanding how to address it is a central mathematical question. (B) Shallow-water waves. They seek accurate models of dispersion and of dissipation due to the bottom, wall, and surface boundary layers. They will start with a Whitham equation and generalize it to include surface tension effects, dissipative effects, nonhorizontal bathymetry, and bidirectional waves. They will look, both analytically and numerically, for small- and large-amplitude solutions, and study their stability. They will further investigate how best to include dissipation that is due to the bottom boundary layer by comparing numerical simulations and experiments. (C) Three-wave partial differential equations. The three-wave partial differential equations, which arise in many physical applications, describe the simplest possible nonlinear interactions among dispersive wave trains, without dissipation. The investigators propose a solution method using a Painleve-analysis to obtain the general solution for arbitrary boundary conditions. There are few examples of general solutions of partial differential equations, so their adding one more example would be a mathematical breakthrough.
海洋表面的波浪在天气预报和气候建模、沿海社区和近海工业的安全以及海外航运中发挥着重要作用。 在这个项目中,研究人员重点关注通常被近似或完全忽略的物理效应,但需要准确预测所观察到的海浪行为。 例子包括海洋涌浪在穿过深海传播并随后到达海岸线上的过程中的消散;波浪产生过程中风的时间依赖性;以及浅水中波浪的分散。 包含耗散将有助于更好地理解波浪能如何演化。 在产生波浪的风中包含时间依赖性将有助于更好地理解能量从空气转移到水的初始阶段。 将耗散和色散纳入浅水波浪模型将有助于更好地预测沿海地区的波浪。 研究人员的研究工具包括建模、分析、计算机模拟和实验室实验。 虽然重点是水波,他们可以进行实验室实验,但数学分析更广泛地适用于其他物理系统,并且对偏微分方程的研究很感兴趣。研究人员提出了分析、数值和实验研究以下: (A) 深水波浪。 他们考虑了自由传播的波浪的频率下移以及风导致的波浪产生。 他们正在考虑两种频率下移模型,它们的不同之处在于流动的旋转部分的建模方式。 为了模拟风产生的波浪,他们考虑了空气和水中随时间变化的剪切流。 由此产生的波浪稳定性问题是非标准的,了解如何解决它是一个核心数学问题。 (B) 浅水波浪。 他们寻求由底部、壁和表面边界层引起的色散和耗散的准确模型。 他们将从 Whitham 方程开始,并将其概括为包括表面张力效应、耗散效应、非水平测深和双向波。 他们将从分析和数值角度寻找小振幅和大振幅的解,并研究它们的稳定性。 他们将通过比较数值模拟和实验来进一步研究如何最好地包含底部边界层引起的耗散。 (C) 三波偏微分方程。 在许多物理应用中出现的三波偏微分方程描述了色散波列之间最简单的非线性相互作用,没有耗散。 研究人员提出了一种使用 Painleve 分析的求解方法,以获得任意边界条件的通解。偏微分方程通解的例子很少,因此再增加一个例子将是数学上的突破。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Wind-Driven Waves on the Air-Water Interface
空气-水界面上的风驱动波浪
  • DOI:
    10.3390/fluids6030122
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.9
  • 作者:
    Segur, Harvey;Khadem, Soroush
  • 通讯作者:
    Khadem, Soroush
Influence of Tsunami Aspect Ratio on Near and Far-Field Tsunami Amplitude
海啸纵横比对近场和远场海啸振幅的影响
  • DOI:
    10.3390/geosciences11040178
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Sannikova, Natalia K.;Segur, Harvey;Arcas, Diego
  • 通讯作者:
    Arcas, Diego
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Integrable models of waves in shallow water
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  • 发表时间:
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    Harvey Segur
  • 通讯作者:
    Harvey Segur

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    $ 10万
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  • 资助金额:
    $ 10万
  • 项目类别:
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