本文介绍了一项关于孤立波与水下矩形障碍物相互作用的研究，该研究由Kuang-An Chang、Tian-Jian Hsu和Philip L.-F. Liu共同完成，分别来自美国德克萨斯A&M大学海洋工程项目和康奈尔大学土木与环境工程学院。该研究发表在《Coastal Engineering》期刊上，时间为2001年。

研究背景

海岸工程领域一直对各类水下结构的有效性及其对环境的影响感兴趣。为了理解波浪与结构相互作用的复杂流体动力学，研究者通常简化海岸结构的几何形状。本文以水下矩形障碍物作为简化模型，研究孤立波与其相互作用时产生的涡旋及其演化过程。研究的主要目标是测量障碍物附近的流速场，分析涡旋的生成和演化，并通过数值模型验证实验结果。

研究方法

研究分为实验和数值模拟两部分。实验部分使用粒子图像测速技术（PIV, Particle Image Velocimetry）测量障碍物附近的流速场，记录并分析由于流动分离在障碍物角落产生的涡旋。数值模拟部分基于雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS, Reynolds Averaged Navier-Stokes）和k-ε湍流模型，首先通过实验数据验证模型的准确性，随后进行了一系列不同波高和障碍物高度的数值实验，计算了波的透射系数、反射系数和能量耗散系数，并与基于势流理论的结果进行了比较。

实验设置与波条件

实验在一个长30米、宽0.6米、深0.9米的玻璃壁波浪水槽中进行。水槽一端安装有活塞式波浪发生器，另一端设有1:10坡度的海滩以吸收波浪能量。水下矩形障碍物安装在水槽底部，宽度与水槽相同，长度为0.4米，高度为0.08米。PIV系统使用双头Nd:YAG激光器作为光源，CCD相机捕捉图像，松花粉作为示踪粒子。

数值模型

数值模型基于RANS方程和k-ε湍流模型，采用两步投影法求解方程，并使用体积流体法（VOF, Volume of Fluid）追踪自由表面。模型在自由表面、固体边界和侧边界上应用了近似边界条件。数值模拟的网格分辨率为1毫米，以确保在障碍物附近的流动分离区域有足够的精度。

实验结果与数值模拟对比

实验和数值模拟的结果表明，障碍物背风侧的涡旋尺寸小于迎风侧，但湍流强度更强。数值模型与实验数据的对比显示，两者在流速场和自由表面轮廓上具有良好的一致性。特别是在障碍物背风侧，数值模型能够较好地描述涡旋的演化过程。然而，在迎风侧，由于流动条件更为复杂，数值模拟的精度有所下降。

能量耗散与波透射

通过数值实验，研究者计算了不同波高和障碍物高度下的能量透射、反射和耗散系数。结果表明，随着障碍物高度的增加，能量耗散显著增加。当障碍物高度与水深比达到0.7时，涡旋中的能量耗散可达到入射波能量的近15%。与势流理论相比，数值模型能够更准确地预测波的透射和反射系数，并提供了对势流理论高估透射系数的修正。

结论

本研究通过实验和数值模拟相结合的方法，深入研究了孤立波与水下矩形障碍物相互作用时涡旋的生成和演化过程。研究结果表明，障碍物迎风侧和背风侧的涡旋强度相当，但迎风侧的湍流强度显著高于背风侧。数值模型在描述涡旋演化和能量耗散方面表现出色，为海岸工程中水下结构的设计和优化提供了重要的理论依据。

研究亮点

1. 实验与数值模拟的结合：通过PIV技术测量流速场，并结合RANS数值模型，全面分析了涡旋的生成和演化过程。
2. 能量耗散的量化：首次量化了涡旋生成对波浪能量耗散的影响，揭示了障碍物高度与能量耗散之间的关系。
3. 数值模型的验证与改进：通过与实验数据的对比，验证了数值模型的准确性，并提出了对势流理论的修正。

研究意义

本研究不仅为海岸工程中水下结构的设计提供了理论支持，还为理解波浪与结构相互作用的复杂流体动力学提供了新的视角。研究结果对波浪能利用、海岸防护工程等领域具有重要的应用价值。