胡新华课题组持续十年研究,给出新的结构体系 提升经典理论中的水波波速上限

作者:刘岍琳摄影: 视频: 来源:《复旦》校报发布时间:2022-01-07

■  乔治·艾里爵士(George. B. Airy 1801-1892)是剑桥大学的卢卡斯教授,1835年至1881年之间担任皇家天文学家。他于1841年给出了水波在自由水域中的波速公式和波速上限。2021年,复旦科学家用一种新结构提升了这个延用180年的波速上限。

复旦大学材料科学系胡新华教授课题组的最新研究提升了经典理论中的水波波速上限,该成果以《静止表面圆盘阵列中的快速水波》(Fast Water Waves in Stationary Surface Disk Arrays)12月15日发表在国际物理旗舰期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

“渔人採捕,必依止宿,每有风浪,輒居宅侧,恬静无它。”成书于梁天监七年(509)之前的《益州记》这样描述风浪。风浪是在风直接作用下产生的水面波动,而水波是一种生活中常见的机械波,它广泛地存在于各种水域的表面,比如湖面的涟漪、海上的风浪、破坏力巨大的海啸,都属于水波。因为与人类生活关系密切,水波一直是科学家研究的重点。

风在水面吹起波浪,波浪出现后又改变波面附近气流的流场,因此风浪是风和水面相互作用的产物,这是一个极度复杂的过程。在19世纪中期和后期,物理学家开尔文和H.von亥姆霍兹,利用平行气流和气-水界面的不稳定性解释风浪发生的原因。而把水波引入现代科学体系的是英国第七任皇家天文学家乔治.艾里(G.B.Airy),他提出的微幅波理论是一种应用速度势函数研究波浪运动的线性理论,作为波浪理论中最基本和最重要的内容,在近海工程中得到最广泛的应用。

1841年,艾里给出水波在自由水域中的波速公式和波速上限。胡新华教授课题组持续水波研究十年,给出一种新的结构体系,其中的水波速度超过了艾里发现的水波波速上限,突破了艾里180年前的经典理论。

观察水波,有一个重要的现象是:当水深增大时,水波的速度将增大。1841年,艾里对这一现象进行总结性研究。他由水波的色散关系发现:由于水波是一种表面波,水深的增加并不能无限地增加水波的波速;水波速度存在一个上限,该上限由重力加速度决定(g0≈9.8m/s2)。如果要获得更大的波速,则必须增加重力加速度,而这对生活在地球上的人类来说是极为困难的。

20世纪初,物理学家H.杰弗里斯指出,在风作用下波峰两侧的压力不对称,并依此计算了风浪的成长。直到40年代初,海洋学家H.U.斯韦尔德鲁普和W.H.蒙克将经典液体波动理论和观测资料结合起来,通过能量平衡计算出风浪的成长。1957年,O.M.菲利普斯和J.W.迈尔斯分别提出各自的模型,以较严格的力学方法处理风浪的生成和成长的问题。

近年来,受到超材料研究的启发,人们开始研究水波与人工周期结构的相互作用。虽然许多新奇的现象得以发现,但是水波在结构水体中的速度,特别是群速度,仍然低于自由水体中速度。已研究的体系包括波浪形水底结构、周期柱子阵列和共振器阵列。在这些障碍物阵列结构中,人们只能观察到慢速水波效应。

胡新华课题组创造性地研究了一种新的周期结构体系,即在水体表面覆盖一个类似于睡莲、但是固定不动的周期圆盘阵列。在这种周期结构中,低频水波(即最低频带的水波)将感受到增大的等效重力加速度和等效水深。通过构建相应的水波棱镜,课题组观测到了奇特的水波折射和单向透射现象,由此证实圆盘阵列中的快波效应。在圆盘阵列中,水波的相速度和群速度均可达到空旷水域中波速的1.8倍以上,大幅提升传统理论中的水波速度上限。理论和实验结果相互印证吻合。

该工作为调控水波传播、海岸保护和海浪能利用提供了一个新的平台和方向。博士研究生赵锌宇为该论文的第一作者,胡新华教授为该论文的通讯作者。

文章链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.254501

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