波浪破碎过程中气-水界面速度与动能变化的可视化研究及其在海岸工程中的应用

本研究针对海岸环境中波浪破碎诱导的湍流多相流动力学问题，采用粒子图像测速技术（PIV）量化了三种典型破碎波条件下的气相现象与速度分布。通过同步测量水相和空气相速度场，揭示了动能传递规律：溢流破碎波在白冠形成时水相动能达峰值，而气动能量转换有限； plunging breaker（卷破波）后期水-气动能同步激增； surging breaker（涌破波）因强涡流抑制能量传递。该研究为海岸结构物设计及海-气交换模型提供了关键数据，发表于《Applied Ocean Research》。

　　

海洋中翻滚的浪花不仅是壮观的景象，更是影响全球气候和海岸工程的关键物理过程。当波浪破碎时，气-水界面的剧烈相互作用会产生复杂的湍流、夹带大量空气，并形成充满气泡的"白水"区域。这一现象虽然常见，但其背后的动力学机制却长期困扰着科学家——传统测量技术难以捕捉瞬时速度高达10m/s的破碎波前沿，而气液两相耦合效应更使得能量传递过程如同"黑箱"。尤其令人困扰的是，波浪破碎时究竟有多少动能转化为空气湍流？不同破碎类型（如卷破、溢破、涌破）的能量传递效率有何差异？这些问题直接关系到海岸防护结构设计、海-气温室气体交换估算等重大应用。

国立台湾海洋大学的研究团队在《Applied Ocean Research》发表的研究中，创新性地搭建了5米长透明水槽实验系统，采用高帧频（480fps）PIV技术同步追踪水体和空气中示踪粒子。通过调整底床坡度（1:13.1至1:1.1）生成spilling（溢破）、plunging（卷破）、surging（涌破）三种破碎波，结合Iribarren数（ξ₀）定量表征破碎类型。研究首次实现气-水界面双侧速度场同步测量：水体中使用密度0.94-0.96g/cm3的聚乙烯示踪颗粒，空气相则采用不影响表面张力的水溶性雾滴。

波浪-空气相互作用动力学
通过PIVLab软件的多通窗口变形算法（随机误差<0.02像素/帧），研究发现spilling breaker在白冠形成阶段（t=0.05s）水相动能达峰值1.7×10^-3J，但空气动能仅小幅波动，揭示溢破波能量传递效率低下。而plunging breaker在"水舌"撞击水面时（t=0.4s），空气涡流导致双侧动能同步激增2.8倍，显示卷破波特有的强耦合效应。

结果与讨论
溢破波（Spilling breaker）
激光片光（厚度1mm）显示：水相最大动能出现在白冠阶段（0.27ξ₀），随后通过湍流耗散。空气相仅在波峰处检测到短暂弱涡旋，证实其能量贡献不足水相的1/800。

卷破波（Plunging breaker）
高速影像捕捉到逆时针空气涡（速度1.68C，C为波速）与水相顺时针涡配对出现。动能分析显示t=0.45s时气泡夹带使空气动能骤升3.5倍，符合Zappa等提出的微尺度破碎增强传质理论。

涌破波（Surging breaker）
陡坡条件（3.88ξ₀）下，波前空气速度反转形成对转涡对。尽管水体动能高达2.14C，但气泡层抑制能量传递，导致空气动能始终低于其他破碎类型的23%。

结论与意义
该研究定量揭示了波浪破碎类型对能量分配的决定性影响：卷破波通过气泡夹带实现最高效的气动能量转换（转换效率达3.5倍），而陡坡涌破波因涡流耗散导致能量"滞留"水体。这些发现为改进海岸工程波浪载荷计算提供了实验依据，特别是解释了绿色水体（green water）冲击结构物时的能量耗散机制。研究建立的PIV双相测量方法，克服了传统技术无法同步捕捉气-水速度场的局限，未来可应用于台风浪-结构物相互作用等极端条件研究。正如Melville等学者指出，波浪破碎过程贡献了全球海洋50%的动能耗散，本研究首次通过实验数据验证了这一理论预测的物理机制。