Steady state oscillations in a buoyant fluid

Abstract

In this article we consider small steady forced oscillations induced by immersed bodies moving at frequencies above the buoyancy frequency in stratified fluids. The model we treat takes the buoyancy frequency and the density to be constant, and consequently the governing differential equation is the same as for small steady oscillations in a uniformly rotating fluid.

Our treatment of this problem has several aspects. The first is the formulation and transformation of the problem for quite arbitrary bodies and general boundary motions. The second is the solution of a number of simple problems in two and three dimensions. The solutions are given explicitly and in some detail and their limiting behavior for high frequency and at the buoyancy frequency is derived. This leads to some new observations and to a conjecture about the velocity field at the buoyancy frequency. We also give sequences of graphs of streamlines of some of the examples. These show in a striking way the changes in the flow field as the frequency varies.

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit behandeln wir kleine Schwingungen, die durch bewegte Körper in geschichteten Flüssigkeiten erzwungen werden. Die Schwingungsfrequenzen liegen oberhalb der Auftriebsfrequenz. In unserem Modell werden Auftriebsfrequenz und Dichte als konstant vorausgesetzt. Somit wird die massgebliche Differentialgleichung hier identisch mit derjenigen für kleine Schwingungen in einer gleichförmig rotierenden Flüssigkeit.

Wir betrachten das Problem unter verschiedenen Gesichtspunkten: Zunächst wird das Problem für willkürlich gestaltete Körper und allgemeine Randbedingungen bezüglich der Bewegungen formuliert, Sodann werden explizite Lösungen für eine Reihe von einfachen zwei- und dreidimensionalen Problemen in Einzelheiten angegeben. Ihr Grenzverhalten bei hohen Frequenzen und für die Auftriebsfrequenz wird abgeleitet. Dies führt zu einigen neuen Beobachtungen und Vermutungen über das Geschwindigkeitsfeld für die Auftriebsfrequenz. In einigen Fällen fügen wir eine Folge graphischer Darstellungen der Stromlinien bei. Diese zeigen sehr eindrucksvoll, wie sich das Strömungsfeld mit der Frequenz ändert.