弹性淹没平板与孤立波相互作用的实验研究学术报告

作者及机构
本研究由台湾成功大学水利及海洋工程学系的Yu Hsiao与Shih-Chun Hsiao*（通讯作者）合作完成，研究成果发表于2022年8月的《Ocean Engineering》第261卷，论文标题为《Experimental study on the interaction of solitary wave with elastic submerged plate》。

学术背景

研究领域与动机
该研究属于海岸工程与流体力学交叉领域，聚焦于波浪与弹性结构的相互作用机制。随着气候变化加剧风暴潮频率和强度，传统刚性防波堤（如breakwater）的生态负面影响（如破坏沉积物输运平衡、干扰水域循环）日益凸显。因此，兼具生态保护与工程功能的柔性结构（如弹性淹没平板）成为研究热点。然而，现有文献多关注刚性结构的水动力学特性，对弹性材料在波浪作用下的流场演化、湍流特性及受力规律的研究存在空白。

关键科学问题
1. 弹性平板的刚度如何影响孤立波传播过程中的流速场、涡量场及湍流动能分布？
2. 弹性平板的变形与波浪荷载之间存在怎样的时序关系？
3. 不同非线性程度的孤立波对弹性平板的作用力是否遵循线性规律？

研究方法与流程

实验设计
研究采用二维水槽实验，通过粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry, PIV）同步测量表面高程、平板运动、流速场及湍流场，并结合荷载传感器（load cell）量化波浪作用力。

实验对象与条件
- 平板材料：选取三种刚度递减的材料——近刚性的胶木（bakelite，杨氏模量最高）、橡胶（rubber）和硅胶（silicone），密度分别为1.4 g/cm³、1.4 g/cm³和1.2 g/cm³。
- 波浪参数：在恒定水深（H=30 cm）下生成三种孤立波（波高h=8.8 cm、6.6 cm、4.3 cm，对应h/H=0.29、0.22、0.14），基于Boussinesq理论计算波长与周期（表1）。

核心实验技术
1. PIV系统：
- 使用高速相机（Phantom Lab340，500 fps）捕捉TiO₂示踪粒子运动，通过PIVLab（MATLAB工具箱）计算流速场，采用自适应多通道算法（64×64像素至16×16像素窗口，50%重叠）及局部中值滤波剔除异常值。
- 湍流场通过20次重复实验的系综平均获得，计算脉动速度（u′=u−〈u〉ₙ）及湍流动能（k=〈(u′u′+v′v′)/2〉ₙ）。

1. 荷载测量：

   • 在平板底部安装4个HBM Z6R荷载传感器（采样率2000 Hz），通过电压信号转换获取作用力数据。
     

2. 平板运动追踪：

   • 基于图像识别技术提取平板左边界位移，假设厚度恒定，推导右侧边界位置（图2）。
     

主要结果

流场演化特征
1. 流速场（图3-5）：
- 刚性胶木平板在波峰通过时（t=0.572 s）产生最大水平流速（1.21 m/s），而硅胶平板因变形导致过流截面减小，最大流速降至0.97 m/s。
- 弹性平板的涡核位置更接近底部，引发底部流速急剧变化（图16），负向水平流速显著增强。

1. 涡量与湍流（图6-11）：
   
   • 平板阻挡流场后，下游产生顺时针涡旋，其强度随波高增加而增大。刚性平板的涡量分布呈曲线连接核心区，而弹性平板因变形导致核心区不完整（图9-11）。
     
   • 硅胶平板在底部激发更强的湍流动能（~0.4 m/s），因其涡核最接近底床（图21）。
     

受力与变形时序关系（图22）：
- 作用力峰值（t_maxF）早于波峰到达平板位置（t_maxη），而平板最大位移（t_maxX）最后出现，表明荷载先引发变形，后由恢复力驱动回弹。
- 表面高程对比显示，高刚度材料（胶木）的波后衰减更显著（图23）。

波浪非线性与荷载关系（图24）：
- 最大作用力与波非线性（h/H）呈线性关系，且刚度越高，斜率越大，验证了Liu等（2004）的数值结论。

结论与价值

科学意义
1. 揭示了弹性平板的刚度通过改变涡核位置和湍流分布，影响波浪能量耗散效率。
2. 明确了荷载-变形-波浪衰减的时序机制，为柔性防波堤设计提供动力学依据。

应用价值
- 支持绿色基础设施（green infrastructure）开发，平衡海岸防护与生态需求。
- 实验数据可用于验证流-固耦合数值模型（如CIP、PFEM）。

研究亮点

1. 创新方法：首次结合PIV与荷载传感器，同步解析弹性平板的流场与受力特性。
   
2. 新发现：弹性材料导致湍流核心下移，底部湍流强度反超刚性结构。
   
3. 普适规律：建立了波浪非线性-作用力的线性关系，并量化刚度对斜率的影响。
   

局限与展望

• 未测量平板遮蔽区（sheltered area）的流场，未来需结合数值模拟补充。
  
• 可扩展至三维结构（如圆柱）及不规则波工况，以提升工程适用性。
  

（注：文中Fig.1-24及Table1为原文献图表编号，具体数据可参见原文。）