楊虹，彭世镠，毛東風(fēng)，馬余全曾雙雄宋昀軒

（1. 北京信息科技大學(xué)理學(xué)院；2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局油氣安全工程技術(shù)研究中心；3. 中國(guó)科學(xué)研究院力學(xué)所）

特定結(jié)構(gòu)振源振動(dòng)時(shí)流體表面波的定向吸引作用

楊虹1，2，彭世镠3，毛東風(fēng)2，馬余全1，曾雙雄1，宋昀軒1

（1. 北京信息科技大學(xué)理學(xué)院；2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局油氣安全工程技術(shù)研究中心；3. 中國(guó)科學(xué)研究院力學(xué)所）

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)三棱柱體在流體表面作低頻小幅簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)激發(fā)的表面波對(duì)漂浮物有定向吸引作用，針對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和深入研究，分析了不同結(jié)構(gòu)振源振動(dòng)引起的流體表面波動(dòng)的特性。開(kāi)展了三棱柱體、四棱柱體、六棱柱體和圓柱體作為振源的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明正對(duì)棱柱體棱邊方向的表面波對(duì)漂浮物有吸引作用，而正對(duì)棱柱體柱面方向的表面波對(duì)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(guān)系，棱角越尖銳吸引作用越強(qiáng)。當(dāng)振源為圓柱體即棱角消失時(shí)，表面波對(duì)漂浮物沒(méi)有定向吸引作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了特定結(jié)構(gòu)振源振動(dòng)時(shí)產(chǎn)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(yīng)用問(wèn)題提供幫助。圖9參11

海洋工程；振源結(jié)構(gòu)；表面波動(dòng)；定向吸引；水波動(dòng)力學(xué)

0 引言

21世紀(jì)是海洋經(jīng)濟(jì)全面發(fā)展的時(shí)代，更好地認(rèn)識(shí)海洋、認(rèn)識(shí)水波的傳播特性及其與接觸物的相互作用，對(duì)海洋工程（包括海洋油氣工程）、海洋災(zāi)害防治、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)确浅Ｖ匾?-5］。筆者在實(shí)驗(yàn)室做水波特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)振源所產(chǎn)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(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，可以將棱邊所對(duì)方向的水面漂浮物拉向振源。這種“反常”現(xiàn)象引起筆者的高度關(guān)注，因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為振源振動(dòng)會(huì)在接觸介質(zhì)中產(chǎn)生波動(dòng)并把能量傳播出去，也就是漂浮物會(huì)隨水波向外運(yùn)動(dòng)。無(wú)獨(dú)有偶，2014年澳洲國(guó)立大學(xué)物理學(xué)家通過(guò)特殊造波所形成的三維波浪實(shí)現(xiàn)了對(duì)水面物體向水波源處的牽引［6］，但未能用目前的相關(guān)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(rèn)識(shí)的定向吸引的作用機(jī)理是什么？用經(jīng)典流體力學(xué)、近代隨機(jī)波理論、流固耦合方法能否給出解釋?zhuān)克ǖ亩ㄏ蛭诠こ碳夹g(shù)領(lǐng)域又能發(fā)揮怎樣的作用？這些都是需要關(guān)注的問(wèn)題。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前研究較多的是流體對(duì)結(jié)構(gòu)物（振源）的影響，而振源結(jié)構(gòu)如何影響水波特性則是一個(gè)新的研究方向［7-11］。本文即通過(guò)設(shè)計(jì)有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究前述“反?！爆F(xiàn)象，分析不同結(jié)構(gòu)振源對(duì)流體表面波動(dòng)特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究不同結(jié)構(gòu)振源振動(dòng)引起的流體表面波動(dòng)的特性，研制了一套穩(wěn)定的振動(dòng)發(fā)生及控制裝置，包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、垂直振動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、不同柱狀結(jié)構(gòu)振源體和波動(dòng)記錄測(cè)量裝置。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)控制脈沖頻率精確控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，實(shí)現(xiàn)振源振動(dòng)頻率的精確調(diào)節(jié)。系統(tǒng)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器和控制器構(gòu)成，具體選擇大力矩混合式兩相步進(jìn)電機(jī)、TC55運(yùn)動(dòng)控制器和JX-2128驅(qū)動(dòng)器。由控制器向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖信號(hào)，再由驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)所需要的強(qiáng)電流信號(hào)，帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

垂直振動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示。電機(jī)帶動(dòng)輪盤(pán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)連桿1帶動(dòng)由螺紋連接于連桿2底部的振源體在水池內(nèi)作垂向的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。振動(dòng)頻率由電機(jī)控制，振幅通過(guò)改變鉸鏈1和輪盤(pán)圓心之間的距離來(lái)調(diào)節(jié)。

圖1 垂直振動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jiàn)圖2）。為了保證實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)力相同，每個(gè)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(biāo)準(zhǔn)鋁錠加工成型。

水池長(zhǎng)、寬均為800 mm，注水深度500 mm。為了減少水池的邊界效應(yīng)，水池內(nèi)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(zhì)心水平距離約100 mm處，分別正對(duì)振源的棱邊或柱面方向。然后觀察不同結(jié)構(gòu)振源以相同振動(dòng)條件（初入水深20 mm，振動(dòng)頻率1 Hz，振幅±15 mm，垂直方向簡(jiǎn)諧振動(dòng)）振動(dòng)時(shí)，浮子隨表面波的運(yùn)動(dòng)情況。

為了更好地觀察、記錄不同結(jié)構(gòu)振源產(chǎn)生的流體表面波動(dòng)的特性，使用攝像機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行視頻記錄，并引入TRACKER追蹤分析軟件對(duì)波動(dòng)過(guò)程及浮子運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析。

圖2 規(guī)則棱柱體振源

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

本文針對(duì)不同形狀振源體振動(dòng)引起的流體表面波動(dòng)均進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)（不少于20次）。多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)度相當(dāng)高，表明本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。在每次實(shí)驗(yàn)時(shí)均觀察到在水波傳到池壁之前，無(wú)論是定向吸引還是排斥作用都已經(jīng)產(chǎn)生，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中水池的邊界效應(yīng)并不明顯。

2.1 三棱柱體振源

圖3是根據(jù)實(shí)驗(yàn)中拍攝的視頻利用TRACKER軟件分析得到的浮子正對(duì)三棱柱體柱面時(shí)其距振源質(zhì)心距離隨時(shí)間的變化曲線。隨著振動(dòng)開(kāi)始浮子越來(lái)越遠(yuǎn)離振源，位移和時(shí)間基本呈線性關(guān)系。振源振動(dòng)引起的表面波對(duì)浮子有向外的排斥作用，這與通常的認(rèn)識(shí)相符。

圖4是浮子正對(duì)三棱柱體棱邊放置于水面時(shí)其距振源質(zhì)心的距離隨時(shí)間的變化曲線。隨著振動(dòng)開(kāi)始，浮子不是遠(yuǎn)離振源，而是一直向著振源方向運(yùn)動(dòng)，越來(lái)越接近振源，在22 s時(shí)間內(nèi)距離拉近了約80 mm，振源對(duì)浮子產(chǎn)生了定向吸引。

實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到三棱柱體振源引起明顯的流體淺表面波動(dòng)，這種波動(dòng)造成的正對(duì)三棱柱體棱邊和柱面的浮子的運(yùn)動(dòng)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(dòng)特性不同。

圖3 浮子正對(duì)三棱柱體柱面時(shí)被排斥

圖4 浮子正對(duì)三棱柱體棱邊時(shí)被吸引

2.2 四棱柱體振源

圖5顯示當(dāng)浮子正對(duì)四棱柱體棱邊放置在水面時(shí)，隨著振動(dòng)開(kāi)始，浮子朝著振源運(yùn)動(dòng)，在65 s時(shí)間內(nèi)距離拉近了約200 mm。

圖6表明當(dāng)浮子正對(duì)四棱柱體柱面放置在水面時(shí)，隨著振動(dòng)開(kāi)始，浮子越來(lái)越遠(yuǎn)離振源。

圖5 浮子正對(duì)四棱柱體棱邊時(shí)被吸引

圖6 浮子正對(duì)四棱柱體柱面時(shí)被排斥

2.3 六棱柱體振源

圖7、圖8分別顯示了浮子正對(duì)六棱柱體棱邊時(shí)被吸引和正對(duì)柱面時(shí)被排斥的結(jié)果。

圖7 浮子正對(duì)六棱柱體柱面時(shí)被排斥

圖8 浮子正對(duì)六棱柱體棱邊時(shí)被吸引

2.4 圓柱體振源

圖9顯示圓柱體在水面淺表振動(dòng)對(duì)浮子有排斥作用，實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有觀察到振源對(duì)浮子的定向吸引。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，三棱柱體、四棱柱體、六棱柱體振源振動(dòng)時(shí)，正對(duì)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(shuō)明棱柱體的棱角越尖銳，對(duì)正對(duì)棱邊的浮子的吸引越大，也就是正對(duì)棱邊方向的表面波具有越強(qiáng)的向振源方向的吸引力。就目前的研究來(lái)看，吸引力的大小與振源棱角呈非線性關(guān)系。當(dāng)振源為圓柱體時(shí)，棱角的消失導(dǎo)致吸引作用徹底消失。這說(shuō)明表面波的吸引作用只在振源體有棱角時(shí)存在。

圖9 圓柱形振源對(duì)浮子的排斥作用

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了振源振動(dòng)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(jié)構(gòu)有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)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(dāng)振源作低頻小幅簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，正對(duì)振源棱邊的浮子被吸引，而正對(duì)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(guān)系，棱角越小、越尖銳，吸引力越強(qiáng)，棱角消失則吸引力消失。

建議對(duì)定向吸引時(shí)浮子的位移、速度與振源體結(jié)構(gòu)、振動(dòng)頻率和幅度以及浮子尺度等的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步研究。研究成果的應(yīng)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。

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（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(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（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(xué)副教授，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及傳感設(shè)計(jì)研究工作。地址：北京市海淀區(qū)清河小營(yíng)東路12號(hào)，北京信息科技大學(xué)清河小營(yíng)校區(qū)理學(xué)院，郵政編碼：100101。E-mail：yyanghong@yeah.net

聯(lián)系作者：毛東風(fēng)（1962-），女，河北石家莊人，中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院教授，主要從事海洋油氣結(jié)構(gòu)工程、海洋油氣安全、管柱力學(xué)、流固耦合等方面的研究工作。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)，中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，郵政編碼：102249。E-mail：maodf@cup.edu.cn

2015-11-29

2016-06-15