国际顶级期刊发文！哈尔滨工程大学科研团队取得内波动力学研究新突破！

近日，哈尔滨工程大学船舶工程学院段文洋教授团队联合国防科技大学、夏威夷大学、俄罗斯科学院西伯利亚分院拉夫连季耶夫水动力学研究所，在流体力学领域国际顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》发表最新研究成果。该研究成功将两层高阶Green-Naghdi（HLGN）内波模型拓展至时变边界问题，首次揭示了移动扰动与背景剪切流对内生孤立波的调制机制，为复杂海洋环境下的内波预测提供了全新的理论工具。本文第一作者为船舶学院博士后张天钰，通讯作者为船舶学院教授赵彬彬。

在海洋深处还存在着另一种"隐形波浪"——内孤立波。这种波浪发生在密度不同的海水层交界处，振幅可达几十米甚至上百米，传播速度快，能量巨大，对水下航行器、海洋平台、海底管线等海洋工程设施有着重要影响。

长期以来，科学家们一直在寻找能够准确预测内波生成和演化的数学模型。早期的KdV模型虽然形式简单，但只能适用于波浪幅度较小的情况；后来发展的MCC模型虽然能处理大振幅内波，但又只适用于浅水区域，无法模拟深水环境下的内波运动。

高阶Green-Naghdi（HLGN）模型是近年来发展起来的一种先进理论模型，它既可以处理强非线性的大振幅波浪，又能兼顾色散效应，同时适用于深水和浅水场景，此前已经在表面波模拟、海啸预测等领域取得了成功应用。然而，传统的HLGN模型存在两个明显的短板：一是无法处理移动边界问题，如水下滑坡、船舶航行等移动扰动引发的内波；二是难以纳入海洋中普遍存在的剪切流效应，而这些都是实际海洋环境中非常常见的情况。

针对这些不足，科研团队开展了系统性的研究工作，实现了三大核心创新：

模型拓展：突破传统势流理论难以考虑有旋问题的局限

科研团队以两层流体系统为研究对象，考虑海水密度分层的实际情况，通过对速度分量进行多项式展开近似，将HLGN模型成功拓展到了时变边界条件下，使得模型首次能够模拟移动海底、表面扰动等动态边界引发的内波生成过程。

算法优化：开发高效稳定的时域数值算法

为了提高模型的计算效率和稳定性，科研团队推导了速度系数的显式表达式，将未知数数量减少了1个，大大简化了方程结构。时间离散采用四阶Adams-Bashforth预测-校正格式，空间导数通过四阶精度的五点中心差分格式计算，同时引入五点平滑滤波技术，有效抑制了Kelvin-Helmholtz不稳定性，确保大振幅内波能够长时间稳定传播。

效应融合：首次实现剪切流场中的内波模拟

科研团队通过远场边界条件引入线性剪切流效应，突破了传统势流理论难以考虑旋转效应的局限，首次实现了HLGN模型对剪切流场中内波生成与演化的模拟，使得模型更加贴近真实海洋环境。

在实际应用中，该模型可用于水下滑坡引发的内波预测、船舶航行"死水效应"（dead-water phenomenon）分析、极地冰面车辆运动产生的内波模拟等场景。此外，模型框架可进一步拓展至非匀速扰动、倾斜边界运动等更复杂情况，具有广阔的延伸潜力。

这项研究不仅丰富了内波动力学的理论体系，更为海洋工程设计、水下航行安全保障等实际问题提供了强大的数值工具，助力人类更精准地认知和应对复杂海洋环境中的内波现象。

团队介绍

流体力学“兴海”学术团队具有良好的历史传承和研究基础。近20年来，针对船舶与海洋工程装备和高性能舰船发展需求，团队在段文洋教授的带领下，深入开展了船舶与海洋结构物水动力性能理论研究与应用研究工作，取得了很多创新性研究成果，支撑了高层次人才培养工作和国家船海装备研发需求。近5年来，团队获中国造船工程学会科技进步特等奖1项，中国航海学会科技进步二等奖1项，黑龙江省师德先进个人1人，黑龙江省普通高等学校教学名师1人，国家级一流本科课程1项，省级研究生精品课程1项。团队获得省劳模和工匠人才创新工作室、省“头雁”团队，团队成员作为首席科学家支撑了教育部极端海洋波动场前沿科学中心、科技部船舶与海洋工程力学国际联合研究中心等。团队现有教师24人(正高级职称9人，副高级职称11人，中级职称4人)，其中国家级人才1人、国家级青年人才3人。

• 信息来源:哈尔滨工程大学船舶学院公众号。

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