The dynamics of surface waves traveling along the boundary of a liquid medium are changed by the presence of floating plates and membranes, contributing to a number of important phenomena in a wide range of applications. Mathematically, if the fluid is only partly covered by a plate or membrane, the order of derivatives of the surface-boundary conditions jump between regions of the surface. In this work, we consider a general class of problems for infinite depth linearized surface waves in which the plate or membrane has a compact hole or multiple holes. For this class of problems, we describe a general integral equation approach, and for two important examples, the partial membrane and the polynya, we analyze the resulting boundary integral equations. In particular, we show that they are Fredholm second kind and discuss key properties of their solutions. We develop flexible and fast algorithms for discretizing and solving these equations, and demonstrate their robustness and scalability in resolving surface wave phenomena through several numerical examples.


翻译:漂浮板与膜的存在会改变沿液体介质边界传播的表面波动力学,这在广泛的应用中引发了一系列重要现象。从数学角度而言,若流体仅部分被板或膜覆盖,表面边界条件的导数阶数会在不同表面区域间发生跃变。本研究针对无限深度线性化表面波问题,考虑板或膜具有单孔或多孔结构的一般类别。针对此类问题,我们提出了一种通用的积分方程方法,并以部分覆盖膜与冰间湖这两个典型示例为重点,分析了由此导出的边界积分方程。特别地,我们证明了这些方程属于第二类Fredholm方程,并讨论了解的核心性质。我们开发了灵活高效的离散化求解算法,通过多个数值算例验证了其在解析表面波现象方面的鲁棒性与可扩展性。

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