波浪破碎中空气夹带机制与涡旋结构的高精度数值研究：对船舶气泡流模型的启示

这篇综述通过高精度自适应网格(AMR)结合CLSVOF界面捕捉方法与Liutex-Omega涡识别技术，系统研究了溢流型、弱俯冲型和强俯冲型三种波浪破碎机制。研究首次分类了空气夹带五类机制（射流冲击、反向飞溅、飞溅冲击、前缘夹带和湍流夹带），揭示了气泡(r-10/3)与液滴(r-4.5)的幂律分布规律，并关联了涡管、发卡涡等三维涡结构与夹带过程的动态耦合，为船舶气泡流(CFD)模型开发提供了关键物理依据。

　　

Highlight

本研究采用基于自适应网格细化(AMR)的高保真数值方法，结合CLSVOF界面捕获技术与Liutex-Omega涡旋识别技术，系统研究了三种典型破碎波（溢流型、弱俯冲型和强俯冲型）的空气夹带机制与涡结构特征。

Air entrainment mechanisms

图4展示了三种破碎波案例的自由面演化瞬时快照。在图4(a)中，强俯冲波表现出最剧烈的破碎动力学，其演化可分为四个阶段：首先在预破碎阶段(t/T=0.3)，波浪稳定向前传播；随后波峰形成射流冲击自由面，夹带大量空气形成水下空腔和液滴飞溅区。

Conclusions

本研究发现俯冲破碎波存在五种夹带机制（射流冲击、反向飞溅、飞溅冲击、前缘夹带和湍流夹带），而溢流型仅表现后两种。液滴尺寸遵循-4.5幂律分布，气泡尺寸符合-10/3幂律。射流冲击夹带通过旋转变形产生展向涡管和流向环状涡，飞溅冲击与前缘夹带则产生类似湍流边界层的发卡涡结构。这些发现为船舶诱导气泡流模型开发提供了物理基础。