振荡流中交错排列圆柱体的新型阻力模型：遮蔽效应与阻塞效应的耦合机制

本研究针对海岸防护工程中水生植物群流体能量耗散的复杂机制，通过计算流体动力学(CFD)模拟了振荡流中交错三圆柱体配置的流体行为。团队采用高斯过程回归(GPR)分析了Keulegan–Carpenter数(KC)与间隙比对阻力系数(Cd)和涡旋熵的非单调影响，提出耦合速度分解与遮蔽-阻塞效应的解析模型，其预测性能优于传统GPR方法，为人工植被阵列设计提供了理论支撑。

　　

海岸线生态系统正面临日益严重的侵蚀威胁，而水生植物群落作为天然的"减浪器"，其波能耗散机制一直是海洋工程领域的研究热点。传统研究多聚焦于单圆柱体或线性排列阵列的流体力学特性，却忽视了自然界更常见的交错排列植被的复杂流固耦合现象。更棘手的是，现有文献关于植被密度对阻力系数(C_d)的影响存在矛盾结论——既有研究显示C_d随密度增加而降低(Nepf, 1999)，也有相反证据表明其会升高(Liu et al., 2024)。这种争议暴露出当前模型对多参数耦合作用的认知局限，特别是遮蔽效应(sheltering)与阻塞效应(blockage)的动态博弈机制尚未阐明。

针对这一科学难题，西湖大学未来产业研究中心团队在《Ocean Engineering》发表的最新研究中，创新性地以等边三角形排列的三圆柱体为基本单元，通过边界数据浸入法(BDIM)驱动的LilyPad流体模拟平台，对超过1000种参数组合进行系统分析。研究首次发现阻力系数与涡旋熵(E)随间隙比(l_ij)呈现显著非单调变化特征，并成功构建了融合机器学习与理论推导的双重预测模型。

关键技术方法
研究采用拉丁超立方采样在KC∈[1,10]和l_ij∈[0,4]参数空间获取160组数据点，通过基于BDIM的LilyPad求解器实现高精度二维流场模拟。利用高斯过程回归(GPR)构建三维参数响应面，结合速度分解理论解析流体动能输运过程。最终通过非线性拟合建立包含8个特征参数的半经验公式模型。

研究结果

GPR预测与参数分析
通过三维等值面可视化揭示：当纵向间距l₀₁>2D时，遮蔽效应主导导致C_d下降；而l₁₂<1.5D时阻塞效应引发C_d陡增。特别在KC=5附近出现涡旋脱落模式转变，对应E值出现峰值跃迁。

修正阻力模型
基于GPR数据特征提出的修正模型显示：线性阵列公式会高估交错排列15%-22%的阻力。引入相对速度修正项后，新模型在l₀₁=3D时的预测误差从18.7%降至4.3%。

可解释预测模型
建立的解析公式C_d=f(KC,l_ij,U_r)包含三项物理机制：

1. 瞬时速度分解项表征动能再分配
2. 指数衰减项量化遮蔽强度
3. 多项式项反映阻塞临界效应
   该模型在大间距(KC>8)场景下预测精度超越GPR方法12.6%。

结论与展望
该研究通过机器学习与流体力学理论的深度融合，首次系统阐释了振荡流中交错植被阵列的阻力产生机制。提出的耦合模型突破传统Morison方程的局限性，其创新性体现在：

1. 定量分离遮蔽与阻塞效应的贡献度
2. 揭示KC数对涡旋演化路径的调控作用
3. 建立适用于大间距阵列的普适性预测框架
   研究成果不仅为海岸防护工程中的植被优化布局提供设计准则，其构建的"数值模拟-机器学习-理论建模"三重验证方法，也为复杂流固耦合问题研究范式树立新标杆。未来可进一步拓展至柔性植被与非均匀流场的交互作用研究。