数值模拟中涡旋与湍流对波浪诱导钝体漂移的影响机制研究

研究人员针对自由漂浮物体在波浪中的漂移增强现象，通过二维数值模拟研究了不同角形（尖角与圆角）钝体在波浪作用下的运动特性。采用RANS、Navier-Stokes和Euler三种模拟方法，揭示了涡旋产生导致动态压力场不对称是漂移增强的新机制，发现尖角物体漂移增强可达454%（圆角仅134%），为海洋工程结构物设计提供了重要理论依据。

　　

在浩瀚海洋中，漂浮结构物的运动轨迹始终是海洋工程领域的核心问题。传统理论认为，波浪中物体的漂移遵循斯托克斯漂移规律，但实际观测中，大型漂浮物的漂移量往往远超理论预测。这一现象在海洋平台、浮式风电基础等工程结构中尤为显著，直接影响着系泊系统设计和运营安全。长期以来，学术界对造成这种"超常漂移"的物理机制众说纷纭，特别是物体几何形状产生的涡旋和湍流在其中扮演的角色仍不明确。

中国某大学的研究团队在《Applied Ocean Research》发表的最新研究中，创新性地采用QaleFOAM混合数值模型，通过精心设计的对比实验揭开了这一谜团。他们构建了包含尖角（SCB）和圆角（RCB）两种典型形状的二维钝体模型，物体尺寸覆盖波长1%-10%的范围，采用RANS（雷诺平均Navier-Stokes）、Navier-Stokes和Euler三种模拟方法进行系统对比。研究特别关注了相对尺寸l/λ=10%的典型情况，通过高精度网格划分确保近壁区y⁺<1，采用k-ω SST湍流模型，并严格控制库朗数Co=0.25。

研究首先通过"3.1.1 运动物体分析"揭示了关键发现：当物体尺寸超过波长4%时，形状效应开始显现。尖角物体由于角部流动分离产生强烈涡旋，其漂移速度可达斯托克斯漂移的4.54倍，而相同尺寸圆角物体仅1.34倍。这种差异在RANS和Navier-Stokes模拟中表现一致，证实了几何诱导涡旋的主导作用。通过粒子雷诺数Re_x和KC（Keulegan-Carpenter）数分析，发现涡旋产生与KC数密切相关，当KC<3时流动呈现惯性主导特征。

在"3.1.2 漂移非定常性"章节中，研究者创新性地提出"非定常比R_a"量化漂移加速度，发现尖角物体的R_a值显著高于圆角物体，表明其运动存在持续加速现象。通过二阶拟合和指数衰减拟合分析，证实这种非定常性源于涡旋诱导的持续力作用，而非初始瞬态效应。实验数据验证显示，这种现象在长时间尺度（10⁴T）仍保持稳定。

"3.2 静止物体分析"通过详尽的流场可视化揭示了物理机制。图15-16的涡量场显示，尖角物体前缘产生不对称涡旋结构，覆盖区域达物体尺寸的65%，而圆角物体几乎无涡旋产生。这种差异导致动态压力场（图17-18）出现显著不对称：尖角物体迎浪面平均压力高出背浪面约12%，形成持续的推力。力分析（图20）表明，尖角物体的平均压力力F_x,p比圆角物体高3-5倍，而粘性力F_x,v则低30%-50%。

研究结论部分指出，几何形状通过三种途径影响漂移：一是尖角诱导的涡旋产生不对称压力场；二是涡旋增强的动能传递；三是形状依赖的流动分离点变化。这些发现突破了传统斯托克斯漂移理论的局限，首次建立了形状-涡旋-漂移的定量关系。对于工程实践，研究建议超过波长5%的海洋结构物应避免使用尖角设计，或通过导流装置控制涡旋产生。在理论层面，该研究为发展"衍射修正斯托克斯漂移"模型提供了关键实验依据，将推动波浪-结构物相互作用理论的革新。

这项研究的创新价值还体现在方法学上：通过RANS、Navier-Stokes和Euler模拟的三重验证，明确了湍流模型在漂移预测中的适用边界；发展的"非定常比"指标为评估物体运动稳定性提供了新工具。未来研究可扩展至三维情况，并考虑实际海况中的多向不规则波影响，以进一步贴近工程实际需求。