柔性叶片的波浪诱导动力学

我们展示一项实验与数值研究，描述了缩放至与天然水生植被动力学相似的柔性叶片在波浪诱导振荡流作用下的运动。对于测试条件，叶片运动主要由两个无量纲变量控制：(i) Cauchy 数 $Ca$，代表水动力强迫与叶片刚度恢复力之比；(ii) 叶片长度与波浪轨道位移之比 $L$。对于 $Ca \gg 1$ 的柔性叶片，阻力与速度的关系在大位移和小位移极限下可由两种不同的缩放律描述。对于大位移($L \ll 1$)，流动类似于单向流，为稳态流重构研究建立的缩放律成立。对于小位移($L \gg 1$)，梁方程可线性化，适用不同的阻力缩放律。实验受力测量表明，小位移缩放律甚至对 $L \sim O(1)$ 的中间情况也适用。数值模型采用著名的 Morison 力公式，无需任何拟合参数即可充分重现观测到的叶片动力学与测量的水动力。对于 $Ca \gg 1$，柔性叶片的运动降低了相对于同形态刚性叶片的测量与建模水动力阻力。然而，在某些 $Ca \sim O(1)$ 的情况下，柔性叶片产生的测量水动力超过刚性叶片产生的水动力，但模型未重现此现象。叶片运动观测表明，这一异常行为与非定常涡脱落事件有关，而简单的数值模型无法重现该事件。最后，我们还讨论了其对天然水生植被冠层上波浪能量耗散建模的意义。