可控风-浪-流耦合环境下救援目标漂移特性的实验研究

为解决海洋漂流体轨迹预测中非线性相互作用机制不明的问题，研究人员在风-浪-流耦合环境中开展救援目标漂移实验，创新性提出轨迹监测方法，证实目标受风面积、质量及转动惯量的协同影响，首次揭示波浪（尤其是涌浪）对漂移的显著作用，为含波浪效应的漂移预测模型建立基准。

　　

海洋环境中的目标漂移预测是海上搜救与环境保护的核心课题。随着海上活动激增，事故频发往往源于复杂海洋环境与人为失误的叠加效应。尽管现有研究已关注风、流对漂移的影响，但波浪（尤其是非线性涌浪）的作用长期被简化为风的衍生效应，导致预测模型存在显著偏差。更棘手的是，实验室环境中风-浪-流多物理场耦合的实验数据极度匮乏，使得理论验证缺乏基准。这种知识空白直接制约了搜救效率——过大的预测范围会浪费资源，过小则可能错过黄金救援时间。

中国海洋大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表的研究，首次在60米×36米的大型风-浪-流耦合实验池中，系统探究了救援目标（包括残骸、救生筏等）的漂移特性。通过16组同向风-浪-流工况实验，结合高精度轨迹监测技术，团队发现目标的漂移速度呈现明显分化：残骸与渔船可达0.3-0.4 m/s，而直立/水平假人仅0.2 m/s。关键突破在于揭示了波浪的独立作用机制——当涌浪存在时，目标的漂移轨迹与纯风-流环境下的理论预测（AP98模型）偏差达20%，这一发现颠覆了传统模型将波浪效应归因于风场的假设。

关键技术方法
研究采用多维度验证策略：1）基于计算机控制的铰接推板造波机生成可控波浪，配合消波装置减少反射干扰；2）通过三重复实验降低不确定性；3）结合Lagrange追踪法与蒙特卡洛技术分析轨迹数据；4）对比实测结果与AP98模型、动力学模型等理论预测的匹配度。

研究结果

1. 实验设计与验证
   实验成功验证了环境参数控制系统的可靠性，风-浪-流耦合条件下目标轨迹监测误差<5%。极端工况下（风速12 m/s，波高0.8 m），目标的偏转角度与受风面积呈非线性关系。

2. 漂移机制解析
   质量分布与转动惯量（Moment of Inertia）共同决定漂移稳定性：高转动惯量目标（如集装箱）呈现规律性螺旋轨迹，而低转动惯量目标（如救生筏）易受波浪瞬时冲击产生随机偏转。

3. 波浪效应量化
   涌浪导致的Stokes漂移（Stokes drift）贡献了总漂移速度的15%-30%，这一效应在传统Leeway模型中被低估。通过ARMA（自回归滑动平均）子网格模型对比，证实波浪的短时连续预测可提升轨迹精度40%。

结论与意义
该研究首次在可控环境中解耦了风-浪-流对漂移的独立与协同效应，建立了含波浪参数的漂移预测基准。实践层面，修正后的AP98模型可为搜救行动提供更精确的时空窗口；理论层面，转动惯量与波浪作用的量化关系为浮动结构物设计提供了新参数。团队提出的“受风面积-质量-转动惯量”三元影响框架，有望推动下一代漂移预测模型从经验统计向机理建模的跨越。