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1. 研究团队与发表信息

本研究由Gatien Polly、Alexis Mérigaud、Benjamin Thiria和Ramiro Godoy-Diana（通讯作者）合作完成，团队成员来自法国巴黎高等物理化工学院（ESPCI Paris–Université PSL）的PMMH实验室（Laboratoire de Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes）及IFP Energies Nouvelles研究所。论文标题为《Experiments on Water-Wave Interactions with a Horizontal Submerged Elastic Plate》，发表于Journal of Fluid Mechanics（2025年，卷1007，文章编号R4），DOI为10.1017/jfm.2025.90。

2. 学术背景

研究领域：该研究属于流体力学与海岸工程的交叉领域，聚焦于波浪-结构相互作用（wave-structure interactions）。
研究动机：波浪能作为一种可再生能源潜力巨大，但高效的能量捕获技术尚未成熟。此前研究多关注双端固定的弹性板，而单端固定的 submerged elastic plate（水下弹性板）在波浪场中的行为缺乏实验验证。
科学问题：单端固定的弹性板如何反射、透射或耗散波浪能量？其动态变形是否影响波浪传播？
研究目标：通过实验量化弹性板与波浪的相互作用机制，探索其在波浪能捕获（wave energy harvesting）和海岸防护中的应用潜力。

3. 研究方法与流程

实验装置设计

• 波浪水槽：长2.5米、宽12厘米（限制横向模态），水深固定为10厘米，配备线性马达驱动的造波机（Linmot® DM 01-23x80f-HP-R-60_MS11），生成振幅0.5–5 mm、频率1.5–4 Hz的波浪。
  
• 弹性板：聚丙烯材料（密度1035 kg/m³，刚度1.7×10⁻³ N·m²），长度28厘米，单端固定于水下3厘米处，自由端可动态变形。
  
• 阻尼系统：水槽末端设置穿孔抛物线型海滩（parabolic beach）以减少反射。
  

数据采集技术

• 纹影成像法（Schlieren imaging）：通过顶部摄像机记录水槽底部棋盘格图案的变形，反演自由液面高度（free-surface height）。
  
• 侧视追踪：通过侧视摄像机捕捉板的边缘运动（图1b），结合OpenCV算法提取变形模态。
  

实验流程

1. 低振幅波浪测试（0.5 mm）：测量不同波长比（( l/\lambda )，0.45–2.7）下的反射系数（( k_r )）和透射系数（( k_t )），对比刚性铝板（相同尺寸）的结果。
   
2. 高振幅波浪测试（最高6 mm）：观察板平均位置的变化（( \Delta_i )）及其对波浪耗散的影响。
   
3. 模态分析：通过强迫振动实验测定板的共振频率（第二模态0.6 Hz，第三模态1.96 Hz）。
   

数据分析方法

• 波浪分解：将自由液面高度分解为前进波（( \eta+ )）和反射波（( \eta- )），通过最小二乘法拟合变形场（式2.9）计算( k_r )和( k_t )。
  
• 能量平衡：验证( k_r + k_t < 1 )时的能量耗散机制。
  

4. 主要结果

低振幅波浪下的反射与透射

• 反射峰区：当( l/\lambda \in [0.6, 1.6] )时，弹性板反射60%的波浪能量（图2a），而刚性板几乎无反射（图2c），证明板的运动是反射的关键。
  
• 变形模态：反射峰对应板的二阶变形（两个节点，图2b-iii/iv），而( l/\lambda > 1.6 )时板几乎静止（图2b-v/vi），透射主导。
  

高振幅波浪的耗散机制

• 板位重构：当波浪振幅≥3 mm且( l/\lambda > 0.6 )时，板自由端触及液面（图4a），导致100%能量耗散（( k_r = k_t = 0 )）。
  
• 临界参数：耗散发生的临界波浪陡度（steepness）为( a_+/\lambda \approx 10^{-2} )，远低于破碎波阈值，表明非线性效应（如斯托克斯漂移或涡旋生成）可能驱动板位变化。
  

5. 结论与价值

科学意义：
- 首次实验证明单端固定弹性板可通过动态变形反射波浪，补充了传统双端固定板的理论框架。
- 揭示了板位重构（reconfiguration）作为新型波浪耗散机制的潜力，为非线性波浪-结构相互作用研究提供新视角。

应用价值：
- 海岸防护：弹性板可设计为自适应防波堤，在风暴条件下通过重构增强耗散。
- 波浪能捕获：板的反射特性可用于优化能量提取装置的频带宽度（bandwidth）。

6. 研究亮点

1. 创新实验方法：结合纹影成像与侧视追踪，实现了波浪场与板变形的同步高精度测量。
   
2. 被动耗散机制：发现无需外部控制的板位重构现象，为工程设计提供仿生学启示。
   
3. 对比实验：通过刚性板对照实验，明确弹性变形的核心作用。
   

7. 其他价值

• 开放数据：论文遵循CC-BY 4.0协议，实验代码基于Wildeman (2018)的开源工具，促进可重复性。
  
• 跨学科启示：结果对海洋工程、可再生能源及流体力学中的柔性结构研究均有参考价值。
  

（报告总字数：约1500字）