本书阐述了强非线性层析内波理论，并对数值方法和源码进行了详细说明。全书共分9章。第1章介绍内波问题的研究现状。第2章论述多层流体间层析内波理论的建立。第3章重点介绍层析内波理论的数值算法与源码。第4章介绍基于重力塌陷法生成内孤立波的数值模拟。第5章介绍内孤立波追赶碰撞和迎面碰撞的数值模拟。第6章介绍内孤立波在非平整海底传播变形的数值模拟。第7章介绍背景剪切流中内孤立波的数值模拟。第8章介绍背景剪切流、内孤立波、非平整地形三者之间的相互作用数值模拟。第9章对我国南海的第二模态内孤立波数值模拟进行介绍。
本书可供从事船舶与海洋工程、海岸与近海工程等学科方向的研究生及科研人员参考。

第1章 绪论
1.1 海洋内波的研究背景
1.2 海洋内波的研究现状
1.3 层析内波理论的研究现状
第2章 多层流体间的层析内波理论
2.1 两层流体流动的控制方程和边界条件
2.2 两层流体间的层析内波理论
2.3 多层流体间的层析内波理论
第3章 数值算法及源代码实现
3.1 程序设计
3.2 读取输入文件子程序
3.3 建立文件及流场初始化子程序
3.4 海底地形子程序
3.5 移动域初始化子程序
3.6 移动域位置更新子程序
3.7 消波子程序
3.8 数值光滑子程序
3.9 保留之前时刻计算结果子程序
3.10 预测子程序
3.11 更新边界条件子程序
3.12 求解空间导数子程序
3.13 求解层析内波方程系数子程序
3.14 合成矩阵子程序
3.15 方程求解子程序
3.16 校正子程序
3.17 当前时间步内迭代收敛判断子程序
3.18 当前时间步计算结果输出子程序
3.19 关闭文件子程序
3.20 其他子程序
第4章 基于重力塌陷法生成内孤立波的数值模拟
4.1 上、下层流体密度接近的浅水模式内孤立波
4.2 上、下层流体密度相差大的浅水模式内孤立波
4.3 上、下层流体密度相差大的深水模式内孤立波
4.4 实际海洋中内孤立波的数值模拟
第5章 内孤立波迎面碰撞与追赶碰撞的数值模拟
5.1 浅水模式内孤立波迎面碰撞的数值模拟
5.1.1 第一级别层析内波理论的数值结果
5.1.2 层析内波理论收敛的数值结果
5.2 浅水模式内孤立波追赶碰撞的数值模拟
5.2.1 第一级别层析内波理论的数值结果
5.2.2 层析内波理论收敛的数值结果
5.3 深水模式内孤立波迎面碰撞的数值模拟
第6章 内孤立波在非平整海底传播的数值模拟
6.1 内孤立波在山脊地形传播的物理实验及数值模拟
6.1.1 内孤立波在山脊地形传播的物理实验
6.1.2 内孤立波在山脊地形传播的数值模拟
6.2 内孤立波爬坡的数值模拟
第7章 背景剪切流中内孤立波的数值模拟
7.1 线性背景剪切流中内孤立波的数值模拟
7.1.1 线性背景剪切流中内孤立波的波形
7.1.2 线性背景剪切流中内孤立波的速度场
7.2 非线性背景剪切流中内孤立波的数值模拟
7.2.1 非线性背景剪切流中内孤立波的波形
7.2.2 非线性背景剪切流中内孤立波的速度场
第8章 线性背景剪切流和海底地形共同作用下内孤立波传播的数值模拟
8.1 线性背景剪切流通过平整海底
8.2 线性背景剪切流通过非平整海底
8.3 无流情况下内孤立波通过非平整海底
8.4 线性背景剪切流中内孤立波通过非平整海底
第9章 三层流体间内孤立波的数值模拟
9.1 三层流体间第一模态内孤立波
9.1.1 三层流体间第一模态内孤立波的物理实验
9.1.2 三层流体间第一模态内孤立波的数值模拟
9.1.3 实际海洋中三层流体间第一模态内孤立波的数值模拟
9.2 三层流体间第二模态内孤立波
9.2.1 三层流体间第二模态内孤立波的物理实验
9.2.2 三层流体间第二模态内孤立波的数值模拟
9.2.3 实际海洋中三层流体间第二模态内孤立波的数值模拟
附录
附录A 定义变量的模块
附录B 维度大小设定
参考文献

海洋大幅内孤立波对潜
水器和海洋立管等结构物的
安全存在极大的威胁，在潜
水器、海洋立管等结构物的
设计、分析评估、作业等过
程中首先需要科学地确定大
幅内波流场。
近十多年来国内外很多
学者在研究强非线性MCC内
波理论，研究表明,MCC内
波理论优于KdV、eKdV、
mKdV等内波理论。对于浅
水模式内孤立波（水深与内
孤立波波长之比远小于1）
问题，MCC内波理论可以给
出较为准确的波形、流场等
结果。然而对于我国南海内
波生成区和深水传播区，水
深与内波波长之比并不是小
量，对于这种深水模式内孤
立波问题，超出了MCC内波
理论的适用范围，本书第一
和第二作者创立的层析内波
理论比MCC内波理论适用范
围广，既适用于浅水模式内
孤立波的研究，也适用于深
水模式内孤立波研究。本书
对强非线性层析内波理论进
行介绍。
层析内波理论适合强非
线性内波的研究。它通过垂
向积分进行降维，计算效率
高，没有引入任何小参数，
没有使用摄动展开和泰勒展
开，不同级别的层析内波理
论可以独立求解，不需要按
级别依次求解。层析内波理
论只是引入了流体质点运动
速度沿水深方向上的变化形
式，通过自收敛性分析可以
保证引入的速度垂向假设的
合理性。
由于层析内波理论没有
引入无旋流动假设，因此对
无旋流动问题和有旋流动问
题都可以进行研究，我国南
海存在各种形式的背景剪切
流，层析内波理论适用于各
种形式背景剪切流、大幅内
波、非平整地形相互作用的
研究。本书介绍的层析内波
理论的计算精度和计算效率
都极高。一方面可以用于低
模态、高模态大幅内波问题
的研究，另一方面可以与潜
水器等海洋结构物水动力性
能分析的计算流体力学
（computational fluid
dynamics，CFD）粘流和势
流方法进行单向耦合或双向
耦合，为CFD方法提供高效
的内波造波和消波功能，也
能大大减小CFD方法的计算
区域，大幅提高其计算效率
。
本书介绍层析内波理论
，重点介绍作者编写的程序
源码，并对源码进行了详细
的说明，便于其他研究学者
或研究生学习和使用。之后
，介绍了层析内波理论在内
孤立波生成/传播数值模拟
、内孤立波追赶碰撞和迎面
碰撞的数值模拟、内孤立波
在非平整海底上传播变形的
数值模拟、背景剪切流中内
孤立波的数值模拟、背景剪
切流-内孤立波-非平整地形
三者之间的相互作用数值模
拟、我国南海的第二模态内
孤立波数值模拟等方面的研
究和应用。
本书内容丰富，介绍全
面，为其他研究人员和研究
生提供了层析内波理论数值
算法和源码的研究基础。本
书介绍的源码可通过扫描以
下二维码获取。
本书所述内容都是在哈
尔滨工程大学船舶工程学院
完成的。作者的研究工作得
到了国家自然科学基金面上
项目（11572093）和重大
项目（51490671）的资助
，在此表示感谢。由于时间
仓促，书中不足和疏漏之处
，敬请读者指正。
作者
2020年10月