学术研究报告：弹性闸门溃坝波冲击的数值模拟——水弹性问题的新基准案例

一、作者与发表信息
本研究由土耳其伊斯肯德伦技术大学（Iskenderun Technical University）土木工程系的Ada Yılmaz（通讯作者）、Selahattin Kocaman和Mustafa Demirci合作完成，发表于期刊《Ocean Engineering》第231卷（2021年），文章编号108870，在线发布于2021年5月8日。

二、学术背景
本研究属于流体-结构相互作用（Fluid-Structure Interaction, FSI）领域，聚焦于水弹性（Hydroelasticity）问题，即流体流动导致固体边界显著变形，而变形又反作用于流体特性的复杂耦合现象。此类问题在海洋工程（如船舶、海上平台）、水利工程（如水闸、堤坝）中具有重要应用价值。

研究背景基于以下挑战：
1. 理论局限：水弹性问题涉及多相流、非线性动力学，解析方法难以求解；
2. 实验数据匮乏：现有文献中关于自由表面流与可变形固体相互作用的实验研究较少，缺乏标准化基准案例；
3. 数值方法需求：尽管已有多种数值方法（如SPH、FEM），但需通过实验验证其精度。

研究目标包括：
- 设计新型实验装置，模拟溃坝波与弹性闸门的相互作用；
- 提供高精度实验数据作为基准案例；
- 开发耦合SPH-FEM（光滑粒子流体动力学-有限元）数值模型，验证其模拟水弹性问题的能力。

三、研究流程与方法
1. 实验设计与实施
- 装置搭建：采用长1.508 m、宽0.1 m、高0.3 m的矩形水槽，上游初始水位0.2 m，下游为干床。通过配重系统瞬间移除刚性挡板（移除时间0.08–0.1 s），模拟溃坝流。
- 弹性闸门：使用橡胶材料（长27.5 cm、宽9.7 cm、厚0.7 cm），顶部固定，底部自由变形，避免侧壁摩擦。
- 测量技术：
- 水位演化：通过两台摄像机（Cam1: 60 fps, Cam2: 240 fps）记录，采用虚拟波高仪技术（Virtual Wave Probe）提取水位数据（P1–P3点）。
- 闸门变形：利用开源代码Tracker跟踪标记点（M1–M4）的位移，精度达毫米级。
- 重复性验证：实验重复两次，确保数据稳定性。

1. 数值模型开发

   • SPH方法：采用LS-DYNA软件中的弱可压缩SPH（WCSPH）模拟流体相，通过人工黏性项（Artificial Viscosity）抑制压力振荡，边界处理采用固定粒子法。
     
   • FEM方法：固体相基于欧拉-伯努利梁理论，弹性模量通过静态变形实验标定为4 MPa。
     
   • 耦合算法：基于罚函数法（Penalty-Based Method）实现SPH与FEM的交互，通过接触力传递流体压力与结构响应。
     

2. 模型验证

   • 溃坝基准案例：与Zhou等（1999）的实验数据对比，验证SPH模型在自由表面流模拟中的精度（如水高、压力峰值）。
     
   • 无闸门溃坝流：对比实验与SPH模拟的水位演化（P1–P3点），误差控制在5%以内。
     

四、主要结果
1. 实验数据
- 动态冲击：溃坝波首次接触闸门时间为0.23 s，引发瞬时变形（M1点最大位移21.8 mm）；二次冲击（0.37 s）导致液压跳跃（Hydraulic Jump）和溢流破碎（Spilling Break）。
- 静态压力：水位上升后，闸门变形趋于稳定，最大位移与理论值吻合（Young’s modulus=4 MPa）。
- 重复性：两次实验的位移与水位数据偏差%，验证了实验可靠性。

1. 数值模拟结果
   
   • 耦合SPH-FEM：成功复现动态冲击（0.2–0.4 s）与振动阶段（0.4–0.8 s），但高频振荡幅值略高于实验，可能因忽略空气相或边界参数敏感性。
     
   • 水位预测：P1点反射波相位差0.1 s，P2点波峰形态差异，但整体趋势一致。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 提供了首个结合溃坝波、液压跳跃与弹性闸门的标准化基准案例，填补了水弹性实验数据的空白。
- 验证了SPH-FEM耦合模型在复杂FSI问题中的适用性，为后续研究提供方法论参考。

1. 应用价值：
   
   • 可优化水利工程中弹性结构（如闸门、防波堤）的抗冲击设计；
     
   • 为船舶与海洋平台的波浪载荷分析提供新工具。
     

六、研究亮点
1. 创新实验设计：结合高速摄像与开源代码Tracker，实现非接触式高精度变形测量。
2. 多物理场耦合：首次将SPH-FEM应用于溃坝波-弹性闸门相互作用，解决了传统网格方法的界面追踪难题。
3. 数据开放性：实验数据公开，可作为其他数值方法的验证基准。

七、其他价值
- 揭示了空气空腔（Air Cavity）对闸门振动的影响，建议未来研究引入多相流模型（如VOF）以提升精度。
- 补充材料（Supplementary Data）包含实验视频与原始数据，可通过DOI链接获取。

（注：SPH=Smoothed Particle Hydrodynamics；FEM=Finite Element Method；FSI=Fluid-Structure Interaction）