波浪，尤其是海啸波凭借其高速度高能量的特性往往会对近岸建筑物或人类亲水活动造成严重影响，威胁到生命和财产安全，因此探究波浪在近岸区域的传播变形特性、水动力性能和衰减过程等问题变得尤为重要[1-3]．ERNEST等[4]在波浪水槽中进行了多组规则波及不规则波经过放置有障碍物的斜坡的试验，研究了波浪经过斜坡上障碍物时的破碎特性．CHANG等[5]探究了1:20平面海滩上孤立波破碎的爬升流并获取了相关流体压力特性．HSIAO等[6]探究了1:60平面海滩上的孤立波演化过程，并对现有的破碎判据、振幅演化和爬升高度公式等进行了重新检验．柳淑学等[7]对三维波浪在岛礁地形上的传播特性进行了物理模型试验，对不同波况下的规则波、不规则波、多向波在该地形上的破碎特性进行了研究．HERNANDEZ等[8]对利用溃坝产生的单入射波甲板上浪问题进行了研究，获取并分析了上浪过程中波浪的时间演化图像信息及对应的浪高参数．JASSIEL等[9]针对溃坝与固定结构的相互作用进行了二维实验研究，研究了入射流的演变及由此产生的甲板上浪问题．同时，PIV作为近年来较为成熟的瞬时全场测速技术，亦在波浪的精细流场测量方面受到广泛的应用．COWEN等[10]通过DPTV (dynamic particle tracking velocimetry)研究了水波诱导边界层在波纹床上方的流动，对涡旋的产生及抛射的过程进行了研究，同时估算了湍流边界层湍流动能的产生和耗散．龙晓警等[11]对斜坡上卷破波的破碎过程涡动和湍流动能进行了测量．蒋昌波等[12]验证了波浪在通过斜坡平台时，波形不对称性明显，波能在平台上剧烈衰减、破碎导致涡结构扩散．LEE等[13]在二维波浪水槽中研究了固定矩形结构上浪过程的流动运动学和局部载荷．其利用了PIV与BIV (bubble image velocimetry)结合的方法分别测量了液相及气相的流场．上述学者们均采用了PIV技术研究了波浪的结构演变过程，但存在图像采集频率低，缺乏对波浪能量的时序监控，斜坡结构形式单一(未对比不同斜坡结构对波浪爬升过程的影响)，图像处理不够精细等问题．本研究应用高频响时间解析PIV(TR-PIV)技术，对波浪爬坡过程中流动结构演变过程进行了测试，进一步完成了其从流动现象到流动细节的量化分析．以获取斜坡上不同结构形式以及不同数量的结构物对波浪爬升过程的流动特性的影响．研究结果可为近海岸防浪结构物的设计提供参考．1 试验设置1.1　实验装置实验装置布置示意图如图1所示．试验在长 2 400 mm、宽100 mm、高400 mm的波浪水槽内进行，水槽为有机玻璃拼接而成．水槽的初始端为造波区，造波机构为步进电机控制的冲箱式造波机，冲箱尺寸为300 mm×95 mm×500 mm，能产生重复性高的试验所需的孤立波；水池中间为波浪传播区，试验水深140 mm；水槽后半段为波浪爬升区，斜坡坡度为1:3，在不同工况下斜坡上装有不同的结构物．10.13245/j.hust.210920.F001图1试验装置示意图(cm)试验采用时间解析粒子图像测速技术(TR-PIV)进行波浪爬坡过程二维速度场的测量．高速相机采用日本NAC Image Technology公司生产的MEMRECAM HXLink SP-642高速相机，拍摄图像像素为1 280×960，示踪粒子为Dantec公司提供的粒子直径为50 μm的聚酰胺示踪粒子．其时间解析能力主要表现在相机图像采集速率为1 000 Hz，相对应的时间分辨率达到了1 ms，其时间精度远高于现有研究的平均水平，以获取更连续、细致的流动演化过程[14]．由于激光易受水面波动影响，且会在穿过结构物时产生折射现象，造成片光源分布不均，本系统采用主辅两台激光器从水池下方呈一定角度入射片光源，达到相互补光的目的．PIV系统实际测量区域为229.9 mm×172.5 mm，对应标定信息为5.57像素/mm，每一组试验工况采集时长为1 s．通过快速傅里叶变换(FFT)来进行粒子图像的互相关分析以获得速度场，为获得最佳分析效果，最小查询区域内粒子数量为10~15为宜，设置有64×64，32×32和16×16多重查询区域，重叠率为50%，采用3点高斯亚像素插值进行互相关峰值拟合，精度约为0.1像素[15-17]．1.2　试验工况及参数设置对于本波浪爬坡试验，不同工况表现为斜坡结构物的形状及数量不同，结构物形状分别为高度20 mm的等腰直角三棱柱、半径为20 mm的半圆柱及边长为20 mm的正四棱柱．结构物主要布置形式分为无结构物、单结构物和双结构物三种，共7个试验工况(表1)，其中：单结构物为只在斜坡上放置一个结构物进行试验，放置位置为横截面的下表面中线位于距水面40 mm的位置；双结构物是在单结构物基础上再增加一个相同结构物，两结构物下表面中线相距40 mm．10.13245/j.hust.210920.T001表1试验工况工况编号斜坡上添加结构物情况1无结构物2单等腰直角三棱柱3双等腰直角三棱柱4单半圆柱5双半圆柱6单四棱柱7双四棱柱试验对象为单峰孤立波，理论孤立波波面方程可表示为H=hsech23h/(4d)[(X-X0)/d]，(1)式中：H为波面高度；d为波下水深；h为最大波高；X和X0分别为计算点横坐标与波峰横坐标[18]．试验所采用的冲箱造波机冲程为140 mm，垂直速度为280 mm/s，通过7次无斜坡时的重复试验，对造波系统的可重复性及理论波形准确性进行验证，最大波高可通过试验图像进行提取，多次试验取平均值，为54.61 mm．其误差结果如表2所示，可得重复造波波面误差保持在0.6%以内，且与理论波型具有高度的一致性，证明该实验水槽可以产生重复性高的、符合试验需求的孤立波．10.13245/j.hust.210920.T002表2波形误差分析参数数值对应横坐标/mm4080120160200试验波高平均值/mm189.53193.41194.55191.87190.56方差/mm0.6440.0470.0760.2160.402平均绝对偏差/mm0.6940.1600.2290.3680.527误差/%0.590.140.210.360.56理论波高值/mm190.27193.62194.59192.99189.122 实验结果及分析2.1　实验现象在进行实验现象分析前，须先进行0 s时刻的确定；为避免结构物的影响，0 s时刻须要确定在结构物对波浪产生明显的作用效果之前．综合考虑，取图像最左侧的液高度达到156.2 mm时为0 s时刻，此时图像右侧的液面在斜坡上并未发生明显的位移，液面与斜坡的交界处距图像最左端187.2 mm．图2给出了在工况1(左)、工况2(中)、工况3(右)的波浪爬坡过程0.1 s(上)、0.2 s(中)、0.3 s(下)时刻对比．可以发现：当无结构物时，波浪波形圆滑，爬坡过程过渡平稳；0.1 s时，液面的最右端已发生位移，且不同工况下位移程度不同，可以初步观察出结构物对波浪爬坡的阻碍作用；0.2 s时，由于结构物对液体的阻碍作用，使其迎浪面液体“堆积”，波浪自由面会略高于无结构物作用时位置(图2红线)，由于堆积产生的液面差，“堆积”区域右侧会产生波面的凹陷，在同时存在两个结构物时凹陷效果更加明显；0.3 s时，波浪的主体经过结构物，原波峰正好处于凹陷位置，致使波浪上表面近似于拥有两个峰值．0.1~0.2 s中工况1，2，3的波浪的爬升距离分别为26.28，21.96和19.44 mm．10.13245/j.hust.210920.F002图2波浪爬坡过程及速度矢量图(mm)图3给出了不同工况下在0.1 s时间(T)内的爬升距离(L)的对比，在单结构物作用下，波浪在等腰直角三棱柱的阻碍下爬坡距离最短，较无结构物时爬坡距离缩短了16.44%；其次为正四棱柱，缩短距离为13.70%，半圆柱对波浪爬坡的影响最小，缩短距离为10.96%．在双结构物条件下，对波浪的爬坡过程的阻碍作用由大到小分别为工况3、工况7、工况5，其缩短距离分别为26.03%，23.29%，22.60%．结构物确实会对波浪的爬坡过程产生阻碍，当存在两个结构物时，影响效果会进一步增加；同等数量下，等腰直角三棱柱阻碍作用最明显，其次为四棱柱，半圆柱的影响效果最弱．10.13245/j.hust.210920.F003图3不同工况下0.1~0.2 s内的波浪爬坡距离2.2　速度场图4为通过PIV获得的7种工况0.2 s(左)和0.3 s(右)时刻下的速度矢量即标量信息，图中以粒子图像左上角为远点．流体在爬升无结构物的斜坡时(工况1)，波浪爬坡过程较为平缓，速度矢量方向均匀向前，无较明显的速度突变．当波浪经过结构物时，部分速度矢量发生变化；靠近结构物区域内的速度矢量会沿着结构物迎浪面抛射而出，波浪的流域直径被压缩，结构物上方的流场速度明显增加，越靠近结构物，速度的激增效果越明显，速度最大增幅可达60%；相对应的，由于结构物的阻碍，在结构物后方会产生一个低速区．该区域内的流体运动速度明显低于正常水平，该区域具有紊乱的速度矢量，甚至产生指向坡下的回流．10.13245/j.hust.210920.F004图4速度矢量云图(色标单位：m/s)与正四棱柱和等腰直角三棱柱相比，半圆柱的迎浪面过渡更加平滑，在流体黏性的影响下矢量抛射角度最小，所产生的低速区最小，其流域被压缩程度小，因此速度增加相对较小．0.2 s时，各工况低速区形状较规则，呈标准的扇形；但随着波浪的爬升，高流速区域右移，低速区结构会逐渐扩大、拉长，内部矢量分布更加紊乱．正方形结构物由于其迎浪面与斜坡垂直的特殊性，在其前方由于水体的堆积也会形成一个较小低速区，该低速区起到的过渡作用使在该工况下的速度抛射角度变得平缓，流域压缩效果要低于三角形结构物．双结构物阻碍时，由于结构物间的不可压缩流体的过渡，导致压缩后的流域在垂向高度与单结构物相似的情况下，横向压缩距离被显著拉长，但随后的低速区域由于过渡更为平滑，其面积要明显小于单结构物条件．2.3　涡量场图5给出了有结构物的6种工况下波浪爬坡过程中的涡量特征，顺时针方向为正．可以观察到：与速度场低速区重合位置，会出现涡结构集中区域，随着波浪在斜坡上的爬升，该区域同样会逐渐扩大、拉长，核心涡核会逐渐溃散，并伴随着许多小涡的产生．与单结构物相比，双结构物后方涡街会延伸至更远的距离，涡的形式也更为复杂，会产生更多负向涡旋，以更快的耗散波浪的能量．10.13245/j.hust.210920.F005图5涡量场云图(色标单位：s-1)在结构物后方产生多漩涡振荡回流等现象的原因可理解为：在此处具有较大速度差的两个流体(爬升流、静止流)的过渡区域发生了流体不稳定现象．考虑到爬升流场可近似为均匀层流，在结构物上方形成具有速度梯度的边界层，迎浪面拐点处结构发生突变，边界层离开界面，形成自由剪切层，流动发生分离，一部分流体进入低速区以一个大的涡旋形式运动，另一部分以自由剪切流的形式继续做爬升流动，且会在后续爬升过程中持续进入低速区产生更多漩涡，在自由剪切层振荡传播过程中，产生的与主流方向相反的逆向扰动便为观察得到的回流．而在分离点处由于流动分离，沿流动方向会脱落有序涡团，该现象可加剧剪切层振荡的不稳定性，使低速区边界处流体的振荡放大，导致涡核多集中在低速区边界位置．2.4　特征断面处能量变化取第一个结构物顶部中心及后5 cm，10 cm为3个特征断面．图6为各工况下特征断面处能量变化与时间的关系．特征断面处的单位质量流体动能可利用以下公式进行计算E=(u¯2+v¯2)/2，(2)式中：E为单位质量流体动能；u¯2和v¯2分别为单位质量流体在x和z方向上的瞬时速度平方的平均值[19]．10.13245/j.hust.210920.F006图6特征断面处能量变化特征断面1(图6左)处，由于结构物对流场区域有压缩效果，断面厚度减小，断面内流体速度提高，单位质量流体动能增加．特征断面2(图6中)处单结构物与双结构单位质量流体能量变化趋势明显不同，单结构物时，该断面已没有结构物带来的流域压缩影响，初步表现出结构物对波浪的能量消减影响；而双结构物时，该断面仍处于流域压缩区域，单位质量流体能量仍表现较高．特征断面3(图6右)处两种结构物形式下的流场单位质量能量变化趋势趋于平稳，且无结构物时的波浪能量远高于有结构物情况，工况2，4，6，3，5，7相较于无结构物时，平均能量损失分别为10.1%，6.3%，8.8%，20.7%，12.3%，20.2%．可以看出：结构物对波浪爬坡有明显的能量消减作用，且双结构物的作用效果要明显约为单结构物的两倍；在三种结构物形式的横向对比中，作用效果的排列顺序为等腰直角三角形＞正四边形＞半圆形结构物．3 结论通过试验设备的建立及对高速相机所拍摄的粒子图像的分析，得到了以下结论：a．斜坡上的结构物会通过压缩波浪爬升过程中的有效流域范围来增加该区域内的流体质点速度，并在结构物后方形成低速区域，甚至产生反向回流；b．结构物上方的高速流场与后方的低速流场之间的过渡区域会形成剪切层流动分离现象，造成多漩涡振荡，漩涡的溃散振荡会有效的耗散波浪爬升的能量；c．不同结构物对波浪爬坡的阻碍效果存在差异，原因可能为结构物迎浪面对流场的抛射角度不同，就本试验而言，影响效果从高到低依次为等腰直角三棱柱、正四棱柱、半圆柱，双结构物同时作用最大能量损失可达20%．