動力海洋學模型實驗

定義

動力海洋學模型實驗是指利用相似原理把複雜的海洋動力現象，單一地或複合地在實驗室進行的模擬實驗。

海洋的動力現象，如風浪、風暴、潮汐和海流等，都可以在實驗室內進行模擬，觀察其變化規律。

模擬實驗

海洋動力現象模擬實驗的研究發展很快，不僅能模擬海浪、海流、風暴、潮流、成層流和上升流，而且對海洋溫度場的模擬實驗研究，也取得良好的成果。

海浪模擬

H.傑弗里斯於1925年利用風浪水槽模擬風浪發生的機制，後來許多國家也利用大型的風浪水槽模擬風浪的生成和發展，取得了實驗室內和實際海洋上的風浪要素的相似關係，如風浪譜的相似關係和風速在水面上按對數分布規律的相似關係,從而導出模型律,把模擬的成果，用於風浪預報、沿岸波對泥沙的輸送、風浪對水工建築物的作用力等方面的研究。由於實驗室中普遍套用微型計算機和程式控制，用隨機造波機模擬海浪要素，使模型實驗的研究結果為海洋工程的設計和施工提供了良好的依據。

潮汐模擬

因為潮汐漲落的現象很有規律，所以模擬潮汐的設備比較簡單，在小的港域或海域內，科里奧利力可以忽略不計，故可用重力模型相似原理研究潮汐模擬實驗，在實驗室內取得與原型相符合的數據。通常使用的潮汐發生設備，有空氣箱式、尾門式和管路閘閥自控設備等。

海流模擬

在20世紀20年代，日本的日高孝次首先對太平洋沿日本海岸的海流,進行了簡單的模擬試驗,以研究黑潮、親潮的一些特徵。1952年，W.S.馮·阿克斯利用旋轉模型研究大範圍的海流。從試驗上驗證了科里奧利力對於海流的效應。伍茲霍爾海洋研究所的一些學者，也在旋轉模型上進行大比尺的北半球和南半球海洋環流的模擬試驗研究，證實了H.M.施托梅爾的大洋海流西向強化的結論。施托梅爾本人也由簡易的旋轉模型證明了：由於地球旋轉而使經向深層海流趨向大洋的西岸。

模型的相似性

按照相似理論，必須使模型上各種基本物理量和原型上相對應的物理量都相似，才能有效地在模型上模擬海洋的動力現象。

方程及解析

海洋中的流體動力學方程可由下式描述：

式中t為時間；ρ為密度；v為速度;ω為地轉角速度,墷P為壓強梯度力g為重力加速度；F為單位質量水體的摩擦力。由公式可見，海洋中單位質量的水體所受的作用力有5種：①慣性力,②科里奧利力,③壓強梯度力，④重力,⑤摩擦力F。其中任意兩項的比值都是無量綱數，如：①、④兩項之比為弗勞德數

式中l為特徵長度；υ為特徵速度。

當模型實驗中的壓強梯度力在海洋動力現象中起主要作用時，考慮歐拉數，即壓強梯度力與摩擦力的比值

當模擬較深和較廣的水域中的海洋動力現象時，固定模型台的誤差較大，如果使用具有科里奧利力的旋轉模型台，並運用旋轉角速度ω的相似律，就能得到更接近實際的研究結果：

式中φ為模型相似區域的地理緯度；t為運動的時間；M和H分別表示模型和原型；是變態模型律所決定的時間比值。旋轉模型台已得到普遍的套用。通常在旋轉模型台上，還安裝送風、發生潮汐及產生預定溫度的設備，以模擬海域中各種動力因素的影響。但應當嚴格地保證旋轉模型台的消震作用。