Exact solutions for steadily travelling water waves with submerged point vortices

涡流 涡度 深水 物理 地球物理流体力学 机械 经典力学 点(几何) 几何学 数学 地质学 海洋学
作者
Darren Crowdy
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:954 被引量:7
标识
DOI:10.1017/jfm.2022.1058
摘要

This paper presents a novel theoretical framework, based on the concept of the Schwarz function of a wave, for understanding water waves with vorticity in the absence of gravity and capillarity. The framework leads naturally to a taxonomy of three subcases, herein referred to as cases 1, 2 and 3, into which fall three existing studies of water waves incorporating uniform vorticity and submerged point vortices. This provides a theoretical unification of several seemingly unrelated results in the literature. It also provides a route to finding new exact solutions with this paper focussing on new solutions falling within the case 2 category. Among several presented here are a submerged point vortex pair cotravelling with a solitary deep-water wave, von Kármán point vortex streets cotravelling with a periodic deep-water wave and a point vortex row cotravelling with a wave in water of finite depth. Some other more exotic waveforms are also constructed. All these new solutions generalize those of Crowdy & Roenby ( Fluid Dyn. Res. , vol. 46, 2014) who found steady waves in deep water cotravelling with a submerged point vortex row for which the free surface shapes turn out to coincide with those of pure capillary waves on deep water found by Crapper ( J. Fluid Mech. , vol. 2, 1957). The new exact solutions are likely to provide a useful basis for asymptotic or numerical studies when additional effects such as gravity and capillarity are incorporated.

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