楊虹，彭世镠，毛東風，馬余全曾雙雄宋昀軒

（1. 北京信息科技大學理學院；2. 中國石油大學（北京）國家安全生產監(jiān)督管理總局油氣安全工程技術研究中心；3. 中國科學研究院力學所）

特定結構振源振動時流體表面波的定向吸引作用

楊虹1，2，彭世镠3，毛東風2，馬余全1，曾雙雄1，宋昀軒1

（1. 北京信息科技大學理學院；2. 中國石油大學（北京）國家安全生產監(jiān)督管理總局油氣安全工程技術研究中心；3. 中國科學研究院力學所）

實驗中發(fā)現(xiàn)三棱柱體在流體表面作低頻小幅簡諧振動時激發(fā)的表面波對漂浮物有定向吸引作用，針對此現(xiàn)象進行了系統(tǒng)實驗和深入研究，分析了不同結構振源振動引起的流體表面波動的特性。開展了三棱柱體、四棱柱體、六棱柱體和圓柱體作為振源的實驗。結果表明正對棱柱體棱邊方向的表面波對漂浮物有吸引作用，而正對棱柱體柱面方向的表面波對漂浮物有排斥作用。吸引作用的大小與棱角的尖銳程度呈非線性關系，棱角越尖銳吸引作用越強。當振源為圓柱體即棱角消失時，表面波對漂浮物沒有定向吸引作用。實驗發(fā)現(xiàn)并驗證了特定結構振源振動時產生的流體表面波具有定向吸引作用，研究成果可為水面污染物清理、海上溢油收集等工程應用問題提供幫助。圖9參11

海洋工程；振源結構；表面波動；定向吸引；水波動力學

0 引言

21世紀是海洋經濟全面發(fā)展的時代，更好地認識海洋、認識水波的傳播特性及其與接觸物的相互作用，對海洋工程（包括海洋油氣工程）、海洋災害防治、遠洋運輸?shù)确浅Ｖ匾?-5］。筆者在實驗室做水波特性測試實驗時發(fā)現(xiàn)不同結構振源所產生的水波存在各向異性。特別重要的是，用三棱柱體作為振源在水面作垂向低頻小幅簡諧振動時，可以將棱邊所對方向的水面漂浮物拉向振源。這種“反?！爆F(xiàn)象引起筆者的高度關注，因為通常認為振源振動會在接觸介質中產生波動并把能量傳播出去，也就是漂浮物會隨水波向外運動。無獨有偶，2014年澳洲國立大學物理學家通過特殊造波所形成的三維波浪實現(xiàn)了對水面物體向水波源處的牽引［6］，但未能用目前的相關理論加以解釋。這些“反?！爆F(xiàn)象，是偶然還是必然？如果是必然，這種以前未被認識的定向吸引的作用機理是什么？用經典流體力學、近代隨機波理論、流固耦合方法能否給出解釋？水波的定向吸引在工程技術領域又能發(fā)揮怎樣的作用？這些都是需要關注的問題。查閱文獻發(fā)現(xiàn)，當前研究較多的是流體對結構物（振源）的影響，而振源結構如何影響水波特性則是一個新的研究方向［7-11］。本文即通過設計有針對性的實驗進一步研究前述“反?！爆F(xiàn)象，分析不同結構振源對流體表面波動特性的影響。

1 實驗設計

為了研究不同結構振源振動引起的流體表面波動的特性，研制了一套穩(wěn)定的振動發(fā)生及控制裝置，包括步進電機驅動系統(tǒng)、垂直振動機械傳動機構、不同柱狀結構振源體和波動記錄測量裝置。

步進電機驅動系統(tǒng)通過控制脈沖頻率精確控制步進電機轉動的速度和加速度，實現(xiàn)振源振動頻率的精確調節(jié)。系統(tǒng)由步進電動機及其驅動器和控制器構成，具體選擇大力矩混合式兩相步進電機、TC55運動控制器和JX-2128驅動器。由控制器向驅動器發(fā)出脈沖信號，再由驅動器轉換成步進電機所需要的強電流信號，帶動步進電機運轉。

垂直振動機械傳動機構為曲柄連桿機構，如圖1所示。電機帶動輪盤勻速轉動，通過連桿1帶動由螺紋連接于連桿2底部的振源體在水池內作垂向的簡諧振動。振動頻率由電機控制，振幅通過改變鉸鏈1和輪盤圓心之間的距離來調節(jié)。

圖1 垂直振動機械傳動機構示意圖

選擇多種剛性等邊棱柱體作為振源，包括三棱柱體、四棱柱體、六棱柱體、圓柱體等（見圖2）。為了保證實驗驅動力相同，每個振源體的厚度均為40 mm，橫截面積均為5 000 mm2，均選用工業(yè)標準鋁錠加工成型。

水池長、寬均為800 mm，注水深度500 mm。為了減少水池的邊界效應，水池內壁敷以海綿薄襯。選用直徑10 mm的塑料薄殼做浮子。首先將其置于與振源質心水平距離約100 mm處，分別正對振源的棱邊或柱面方向。然后觀察不同結構振源以相同振動條件（初入水深20 mm，振動頻率1 Hz，振幅±15 mm，垂直方向簡諧振動）振動時，浮子隨表面波的運動情況。

為了更好地觀察、記錄不同結構振源產生的流體表面波動的特性，使用攝像機對實驗過程進行視頻記錄，并引入TRACKER追蹤分析軟件對波動過程及浮子運動情況進行分析。

圖2 規(guī)則棱柱體振源

2 實驗結果及討論

本文針對不同形狀振源體振動引起的流體表面波動均進行了多次重復實驗（不少于20次）。多次實驗數(shù)據(jù)重復度相當高，表明本文設計的實驗系統(tǒng)穩(wěn)定，實驗數(shù)據(jù)可靠。在每次實驗時均觀察到在水波傳到池壁之前，無論是定向吸引還是排斥作用都已經產生，說明實驗中水池的邊界效應并不明顯。

2.1 三棱柱體振源

圖3是根據(jù)實驗中拍攝的視頻利用TRACKER軟件分析得到的浮子正對三棱柱體柱面時其距振源質心距離隨時間的變化曲線。隨著振動開始浮子越來越遠離振源，位移和時間基本呈線性關系。振源振動引起的表面波對浮子有向外的排斥作用，這與通常的認識相符。

圖4是浮子正對三棱柱體棱邊放置于水面時其距振源質心的距離隨時間的變化曲線。隨著振動開始，浮子不是遠離振源，而是一直向著振源方向運動，越來越接近振源，在22 s時間內距離拉近了約80 mm，振源對浮子產生了定向吸引。

實驗中觀測到三棱柱體振源引起明顯的流體淺表面波動，這種波動造成的正對三棱柱體棱邊和柱面的浮子的運動情況完全相反，前者使浮子被吸引，后者使之被排斥。這表明振源棱邊和柱面附近的流體表面波動特性不同。

圖3 浮子正對三棱柱體柱面時被排斥

圖4 浮子正對三棱柱體棱邊時被吸引

2.2 四棱柱體振源

圖5顯示當浮子正對四棱柱體棱邊放置在水面時，隨著振動開始，浮子朝著振源運動，在65 s時間內距離拉近了約200 mm。

圖6表明當浮子正對四棱柱體柱面放置在水面時，隨著振動開始，浮子越來越遠離振源。

圖5 浮子正對四棱柱體棱邊時被吸引

圖6 浮子正對四棱柱體柱面時被排斥

2.3 六棱柱體振源

圖7、圖8分別顯示了浮子正對六棱柱體棱邊時被吸引和正對柱面時被排斥的結果。

圖7 浮子正對六棱柱體柱面時被排斥

圖8 浮子正對六棱柱體棱邊時被吸引

2.4 圓柱體振源

圖9顯示圓柱體在水面淺表振動對浮子有排斥作用，實驗中沒有觀察到振源對浮子的定向吸引。

根據(jù)實驗結果，三棱柱體、四棱柱體、六棱柱體振源振動時，正對棱邊放置的浮子被吸引的平均速度分別為3.86 mm/s、3.08 mm/s和0.45 mm/s。這說明棱柱體的棱角越尖銳，對正對棱邊的浮子的吸引越大，也就是正對棱邊方向的表面波具有越強的向振源方向的吸引力。就目前的研究來看，吸引力的大小與振源棱角呈非線性關系。當振源為圓柱體時，棱角的消失導致吸引作用徹底消失。這說明表面波的吸引作用只在振源體有棱角時存在。

圖9 圓柱形振源對浮子的排斥作用

3 結論

實驗發(fā)現(xiàn)并驗證了振源振動引起的流體表面波的定向吸引作用，這種定向吸引與振源的結構有關。

實驗中分別使用了三棱柱體、四棱柱體、六棱柱體及圓柱體作為振源。當振源作低頻小幅簡諧振動時，正對振源棱邊的浮子被吸引，而正對振源柱面的浮子被排斥。吸引力的大小與振源體的棱角呈非線性關系，棱角越小、越尖銳，吸引力越強，棱角消失則吸引力消失。

建議對定向吸引時浮子的位移、速度與振源體結構、振動頻率和幅度以及浮子尺度等的關系進行進一步研究。研究成果的應用可能在很大程度上減少傳統(tǒng)打撈工作的難度，并為水面污染物清理、處理海上石油泄漏等提供參考。

［1］鄒志利. 水波理論及其應用［M］. 北京: 科學出版社，2005. ZOU Zhili. Water wave theory and its application［M］. Beijing: Science Press，2005.

［2］孫濤，陶建華. 波浪作用下近岸區(qū)污染物輸移擴散的數(shù)學模型及其實驗驗證［J］. 海洋學報，2003，25（3）: 1-9. SUN Tao，TAO Jianhua. Numerical modeling and experimental verification of pollutant transport under waves in the near shore zone［J］. Acta Oceanologica Sinica，2003，25（3）: 1-9.

［3］KENNEDY A B，KIRBY J T，GOBBI M F. Simplified higher-order boussinesq equations: Ⅰ. Linear simplifications［J］. Coastal Eng.，2002，44（3）: 205-229.

［4］戴遺山，段文洋. 船舶在波浪中運動的勢流理論［M］. 北京: 國防工業(yè)出版社，2008. DAI Yishan，DUAN Wenyang. Potential flow theory of ship motion in waves［M］. Beijing: National Defence Industry Press，2008.

［5］陶建華. 水波的數(shù)值模擬［M］. 天津: 天津大學出版社，2005. TAO Jianhua. Numerical simulation of water waves［M］. Tianjin: Tianjin University Press，2005.

［6］PUNZMANN H，F(xiàn)RANCOIS N，XIA H，et al. Generation and reversal of surface flows by propagating waves［J］. Nature Physics，2014，10（8）: 658-663.

［7］LIN P，LI C W. A σ-coordinate three-dimensional numerical model for free surface ware propagation［J］. International Journal Methods in Fluids，2002，38（11）: 1045-1068.

［8］ZOU Zhili，WANG Tao，ZHANG Xiaoli，et al. One-dimensional numerical models of higher-order Boussinesq equations with high dispersion accuracy［J］. Acta Oceanologica Sinica，2003，22（2）: 287-300.

［9］YASUKAWA H. Application of a 3-D time domain panel models in seakeeping problems［C］//Proc. of 24th Symposium on Naval Hydrodynamics. Fukuoka，Japan: U.S. Office of Naval Research，2002.

［10］HUANG C J，DONG C M. On the interaction of a solitary wave and a submerged dike［J］. Coastal Eng.，2001，43: 265-286.

［11］TAO Jianhua，HAN Guang. Effects of water wave motion on pollutant transport in shallow coastal water［J］. Science in China，Series E，2002，45（6）: 593-605.

（編輯 胡葦瑋）

Directional attraction of fluid surface wave caused by vertically oscillating prisms

YANG Hong1，2，PENG Shiliu3，MAO Dongfeng2，MA Yuquan1，ZENG Shuangxiong1，SONG Yunxuan1
（1. Department of Applied Science，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China；2. China University of Petroleum-Beijing，SAWS Oil-Gas Safety Engineering Center，Beijing 102249，China； 3. Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

Experiments show that the surface wave，which is caused by a triangular prism performing simple harmonic vibration with low frequency and small amplitude on fluid surface，has directional force on float. A series of experiments and an in-depth study about this phenomenon were carried out，and the characteristics of fluid surface wave from different structures oscillation were analyzed. Experiments were launched with different vertical oscillating structures，such as triangular prism，quadrangular prism，hexagonal prism and the cylinder. The results show that the surface wave，on the direction directly opposite to the prism edge，can attract the floats，while the wave on the direction directly opposite to the prism facet has repelling interection. The relationship between the strength of attraction and sharpness of the angle is non-linear. The sharper the angle，the stronger the attraction force. When the prism becomes a cylinder which means without angle，the attraction will disappear. The experiment found and verified the fluid surface wave caused by specific structure oscillating prisms has directional attraction interection. The results are helpful for cleaning up pollutants and collecting spill oil on the water.

ocean engineering； vibration source stricture； surface wave； directed attraction； wave dynamics

國家科技重大專項（2011ZX05027-005-001）

TV131.2

A

1000-0747（2016）05-0816-04

10.11698/PED.2016.05.19

楊虹（1965-），女，江西上饒人，碩士，北京信息科技大學副教授，主要從事大學物理實驗教學及傳感設計研究工作。地址：北京市海淀區(qū)清河小營東路12號，北京信息科技大學清河小營校區(qū)理學院，郵政編碼：100101。E-mail：yyanghong@yeah.net

聯(lián)系作者：毛東風（1962-），女，河北石家莊人，中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院教授，主要從事海洋油氣結構工程、海洋油氣安全、管柱力學、流固耦合等方面的研究工作。地址：北京市昌平區(qū)府學路18號，中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，郵政編碼：102249。E-mail：maodf@cup.edu.cn

2015-11-29

2016-06-15