《Ocean Engineering》：Prediction of ice resistance in floating ice floes using hybrid temporal convolution-recurrent neural networks
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为深入探究波浪与涡旋在潮汐能场址的相互作用机制，本研究针对含有大尺度流动结构的复杂水流环境，提出了一种基于本征正交分解（POD）的全新波浪-湍流分离方法。通过在法国海洋开发研究院的水槽中进行实验，研究人员分析了顺流与逆流传播的规则波对高雷诺数湍流剪切流的影响。结果表明，该方法能有效提取波浪速度场，并揭示了波浪传播会改变自由流的积分时间尺度、垂向混合及其伴随的能量传递，为评估波浪对水柱内湍流能量交换的影响提供了新工具。
在浩瀚的海洋中，蕴藏着取之不尽的清洁能源——潮汐能。然而，想要高效、安全地利用这股力量，我们首先必须直面海洋环境本身的复杂性。在理想的潮汐能场址，水流并非平静均匀，而是充满了多尺度的湍流、涡旋，并与海面上的波浪不断相互作用。这种波浪-涡旋-湍流的“三重奏”构成了一个极其复杂且难以捉摸的流场环境。大尺度的涡旋结构可能源自不规则的海底地形或人工设施（如潮汐涡轮机支撑结构）后的尾流，它们携带着巨大的动能，不仅影响着海洋生物和沉积物的输运，更是导致设备疲劳损坏的关键因素。同时，表面重力波深入水柱，其轨道运动进一步扭曲和加剧了湍流。为了准确评估这些场址的开发潜力并优化设备设计，深入理解波浪与大尺度涡旋结构在水柱中的非稳态相互作用，成为一个亟待解决的核心科学问题。
为了回答这个关键问题，由Philippe Druault、Beno?t Gaurier和Grégory Germain组成的研究团队开展了一项创新性的实验研究。他们的核心目标是开发并验证一种新的方法，用于在存在大尺度对流流动结构的情况下，从原始速度测量数据中分离出波浪的贡献。这项研究为解决潮汐能开发中的基础流体力学难题提供了新的见解和工具，其成果发表在《Ocean Engineering》期刊上。
研究人员主要采用了粒子图像测速技术（PIV） 在法国海洋开发研究院（Ifremer）的波浪-水流实验水槽中进行测量。他们研究了两种典型的流场配置：一种是波浪顺流传播（Case A），另一种是波浪逆流传播（Case B）。通过本征正交分解（POD） 这一基于能量最优的流场分解方法，结合对POD模态的频谱分析，他们构建了一个全新的滤波流程，成功地从包含大尺度涡旋的湍流场中提取出了波浪速度场。此外，研究还使用了波高计来同步测量表面波的特征，并通过对分解后的波浪场和湍流场进行统计分析和象限分析，深入探究了两者之间的能量交换和瞬时流动畸变。
2. 实验装置
本研究基于在Ifremer波浪-水流实验水槽中获得的数据库。实验在垂直平面（x，z）内进行PIV测量，该平面位于水槽的流向中心。水槽入口处设置了均匀的流向速度场U∞= 0.8 m/s。通过移动造波机的位置，生成了两种流场配置：波浪顺流传播（Case A）和波浪逆流传播（Case B）。两种情况均生成了频率fw? 0.45 Hz的规则波。PIV采样频率为fPIV= 15 Hz，获得了2700个瞬时的（u, w）速度分量。波浪特性（振幅、波长、频率）使用三个浪高仪进行测量。
3. 用于波浪-湍流分解的POD过程
3.1. 本征正交分解应用
研究对瞬时波动速度场（u‘, w’）应用了快照POD方法。POD提供了基于二维湍动能（u‘2+ w‘2）的能量最优流动分解。结果显示，在Case A和Case B中，恢复到总能量80%分别需要9个和4个POD模态，表明Case B的流场空间相干性更强。对前七个POD时间模态的频谱分析表明，主要的能量集中在低频段（对应大尺度流动结构），但在波浪频率（fw= 0.45 Hz）处也出现了明显的峰值，这说明在水柱中传播的波浪是流场中一个高度相干的事件。
3.2. 波浪-湍流POD滤波过程
基于POD模态在波浪频率处表现出显著谱峰的特性，研究人员提出了一种新的滤波方法来提取波浪场。具体步骤包括：
- 1.
对每个POD时间模态a(n)(t)进行傅里叶分析。
- 2.
仅选择那些在波浪频率fw处的频谱幅值至少是相邻频率（fw± Δf）处幅值K倍（本研究取K=2，Δf=0.03 Hz）的POD模态。根据此标准，Case A选择了第1、2、4、5、6模态，Case B选择了第1、2模态。
- 3.
将选中的模态在频域进行带通滤波（中心频率fw，带宽0.06 Hz），然后重构出波浪速度场（Vw）。
- 4.
从原始的波动速度场中减去波浪场，即得到湍流速度场（Vt）。
该方法的有效性通过对比滤波前后的平均速度、湍动能以及波动速度的概率密度函数得到了验证。
4. 波浪-湍流相互作用分析
在成功分离波浪场和湍流场的基础上，研究进一步分析了它们之间的相互作用。
4.1. 波浪-湍流能量交换
研究表明，波浪传播显著改变了自由流动的积分时间尺度。在波浪顺流传播时（Case A），积分时间尺度普遍增加，尤其是在水柱上部区域；而在波浪逆流传播时（Case B），积分时间尺度在大部分区域减小。这意味着波浪影响了湍流结构的时间关联特性。此外，波浪的存在普遍降低了湍动能的产生，从而限制了垂向混合。垂向混合的能量转换主要由自由表面的接近度、无波时自由流中的动能水平以及波浪传播方向所主导。
4.2. 波浪作用下的象限分析
通过象限分析瞬时雷诺应力u‘w’的事件，研究发现波浪作用显著改变了流动事件的性质。在波浪顺流时（Case A），外向相互作用事件（第二象限）和喷射事件（第四象限）受到抑制，而扫掠事件（第一象限）得以增强。在波浪逆流时（Case B），这种对流动事件的扭曲效应更为明显，尤其是在水柱底部区域。这表明波浪的轨道速度不仅贡献了额外的速度波动，还实质性地改变了湍流相干结构本身的动力学行为。
本研究成功开发并验证了一种基于本征正交分解（POD）和频谱筛选的新方法，用于从包含大尺度对流涡旋的复杂流场中分离波浪速度场。该方法的核心优势在于其基于能量和相干特性，能够有效提取波浪对总动能的贡献。应用该方法对实验数据进行分析，得到了若干重要结论：首先，无论是顺流还是逆流传播，规则表面波都会显著改变背景湍流剪切流的积分时间尺度，从而影响湍流结构的时间演化。其次，波浪的存在通常会抑制湍动能的产生，进而限制水柱中的垂向混合过程，这一效应受自由表面距离、背景流动能水平及波向共同调控。最后，通过象限分析发现，波浪的轨道运动不仅添加了周期性的速度分量，更关键的是瞬时地扭曲了湍流相干结构，改变了湍流事件（如喷射和扫掠）的发生概率与强度，这种扭曲效应在波浪逆流时尤为显著。
这项研究的意义在于，它为解决潮汐能工程中的一个基础难题——量化波浪与大尺度湍流结构的相互作用——提供了新的方法论和直接证据。传统上，由于波浪和湍流在频谱上重叠，且大尺度结构能量很高，将两者的贡献精确分离极具挑战。本文提出的POD滤波方法为此提供了一条有效的技术路径。研究结果深化了我们对波-涡-湍流多尺度耦合物理机制的理解，特别是明确了波浪如何通过调节湍流时间尺度和改变相干结构来影响水柱内的能量传递与混合。这些认识对于建立更精确的潮汐能场址流场评估模型、预测海洋结构物的水动力载荷和疲劳寿命、以及优化潮汐涡轮机的设计和布局具有重要的理论和工程应用价值。
