熱膜式剪應(yīng)力傳感器在破碎波作用下的應(yīng)用初探

郝思禹1,2,3,4,*,夏云峰1,3,4,徐 華1,3,4,蔡喆偉1,3,4

(1.南京水利科學(xué)研究院,南京 210029;2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,南京 210098;3.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098;4.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210024)

熱膜式剪應(yīng)力傳感器在破碎波作用下的應(yīng)用初探

郝思禹1,2,3,4,*,夏云峰1,3,4,徐 華1,3,4,蔡喆偉1,3,4

(1.南京水利科學(xué)研究院,南京 210029;2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,南京 210098;3.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098;4.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210024)

破波區(qū)床面剪應(yīng)力的正確認(rèn)知對(duì)于揭示海岸泥沙輸運(yùn)以及地貌演變的機(jī)理具有重要意義。波浪破碎以后帶來的紊動(dòng)和渦旋會(huì)對(duì)床面剪應(yīng)力產(chǎn)生顯著的影響。采用MEMS柔性熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器在波浪水槽中開展了破碎波作用下的床面剪應(yīng)力測(cè)量應(yīng)用測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該壁面剪應(yīng)力傳感器可以應(yīng)用于破碎波作用下的床面剪應(yīng)力測(cè)量。在破波點(diǎn)之前可以根據(jù)近底流速輔助該傳感器判斷床面剪應(yīng)力的方向。床面剪應(yīng)力在波浪破碎之前變化較為平緩,在波浪破碎之后床面剪應(yīng)力的波動(dòng)和極值都會(huì)增大。斜坡上沿程最大床面剪應(yīng)力均值的極值出現(xiàn)于卷破水舌入射點(diǎn)之后。

波浪破碎;壁面剪應(yīng)力傳感器;床面剪應(yīng)力;卷破波

0 引 言

在河口海岸工程基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用中,泥沙起動(dòng)、推移質(zhì)輸沙以及懸沙底部參考點(diǎn)濃度的估算都離不開床面剪應(yīng)力。波浪由深海傳播到近岸時(shí),波浪開始觸底,受水深減小以及底部摩阻的影響,波浪會(huì)發(fā)生變形直到破碎[1]。破波區(qū)是泥沙輸運(yùn)以及地貌演變最活躍的區(qū)域,波浪破碎屬于復(fù)雜的強(qiáng)非線性運(yùn)動(dòng),會(huì)帶來強(qiáng)烈的紊動(dòng)和渦旋。研究波浪破碎對(duì)床面剪應(yīng)力的影響對(duì)于揭示破波區(qū)泥沙輸運(yùn)具有重要意義。

由于波浪邊界層內(nèi)的床面剪應(yīng)力具有量級(jí)小、正負(fù)交替和變化快等特點(diǎn),直接而準(zhǔn)確地測(cè)量其底部剪應(yīng)力仍具有挑戰(zhàn)性。常用的波浪床面剪應(yīng)力直接測(cè)量?jī)x器為應(yīng)力板[2-3],通過應(yīng)力板的位移或者直接測(cè)量作用于底板上的力來獲得床面剪應(yīng)力。在波浪作用下,應(yīng)力板的前沿和后沿之間會(huì)存在一個(gè)壓力梯度,Pujara等[4-5]研制了一種考慮了邊緣壓力梯度影響的應(yīng)力板,并應(yīng)用于孤立波沖流運(yùn)動(dòng)的研究中。除了壓力梯度的問題,應(yīng)力板測(cè)得床面剪應(yīng)力實(shí)質(zhì)上是作用于應(yīng)力板表面的平均應(yīng)力,因此其測(cè)量的空間分辨率會(huì)受到影響。另一種常用的直接測(cè)量?jī)x器是嵌平式熱膜探針[6-7]。熱膜探針較傳統(tǒng)的應(yīng)力板具有高響應(yīng)度的優(yōu)勢(shì),并且不存在壓力梯度的問題,因此常用于波浪邊界層的研究[8-9]之中。

目前,還出現(xiàn)了其他一些新型測(cè)量?jī)x器用于波浪邊界層內(nèi)的床面剪應(yīng)力測(cè)量。Musumeci等[10]采用磁流體微刺的位移來測(cè)量波浪底部剪應(yīng)力。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展,MEMS柔性熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器也為波浪邊界層內(nèi)的床面剪應(yīng)力測(cè)量提供了新的手段。梁婷等[11]驗(yàn)證了該傳感器在波浪作用下床面剪應(yīng)力測(cè)量中的可行性,Xu等[12]則采用該傳感器研究了波流相互作用下床面剪應(yīng)力情況。

有關(guān)破碎波作用下的床面剪應(yīng)力直接測(cè)量的報(bào)道較少。Boers[13]采用應(yīng)力板測(cè)量了帶沙壩地形上的破波區(qū)床面剪應(yīng)力,Deiggard等[14]、Yüksel等[15]和Sumer等[16-17]均采用嵌平式熱膜探針對(duì)破碎波下的床面剪應(yīng)力進(jìn)行了研究。嵌平式熱膜探針進(jìn)行安裝時(shí)可能會(huì)存在邊壁對(duì)齊問題,加上探針尺寸較小,會(huì)給測(cè)量的準(zhǔn)確性帶來影響。與MEMS柔性熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器相比,該探針安裝于彎曲表面時(shí)會(huì)存在接縫處間斷的問題。另外一種間接測(cè)量的方法是測(cè)量波浪邊界層內(nèi)的流速分布,進(jìn)而計(jì)算得到床面剪應(yīng)力的大小。當(dāng)波浪破碎劇烈時(shí),破碎波產(chǎn)生的紊動(dòng)和渦旋可能會(huì)侵入到波浪邊界層內(nèi),在這種情形下使用間接測(cè)量方法會(huì)存在一定的不確定性。

本文延續(xù)Xu等[12]的工作,采用新型的MEMS熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器對(duì)破碎波作用下的床面剪應(yīng)力進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論了該傳感器在破碎波作用下的工作情況,并初步探明了破碎波作用下床面剪應(yīng)力的變化規(guī)律。

1 柔性熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器

實(shí)驗(yàn)所用的壁面剪應(yīng)力傳感器為西北工業(yè)大學(xué)微/納米系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研制的MEMS柔性熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器,如圖1所示。該傳感器的熱敏元件長(zhǎng)3mm,寬50μm,厚1μm。傳感器的襯底為聚酰亞胺柔性薄膜,傳感器表面沉積有Parylene保護(hù)層。

該剪應(yīng)力傳感器的水下工作原理如圖2所示。傳感器的熱敏元件通過一定電流后產(chǎn)生熱量,當(dāng)熱敏元件表面的流體流動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)迫對(duì)流換熱從而帶走熱量。元件本身具有熱敏電阻特性,通過電橋檢測(cè)熱敏元件電阻的變化可獲得元件溫度的變化,再根據(jù)熱平衡關(guān)系和強(qiáng)迫對(duì)流換熱關(guān)系可以得到流速以及與流速相關(guān)的流量、壁面剪應(yīng)力等信息。普朗特?cái)?shù)Pr是流體固有的物性參數(shù),反映了速度邊界層厚度δu和溫度邊界層厚度δt之間關(guān)系。室溫下液態(tài)水的Pr＞1,其速度邊界層厚于溫度邊界層[18],熱敏元件的熱平衡變化僅反映速度邊界層內(nèi)的信息,因此熱膜式剪應(yīng)力傳感器可以用于測(cè)量水下壁面剪應(yīng)力。

熱敏元件電阻的變化通過電壓信號(hào)變化反映。根據(jù)對(duì)熱敏元件加熱的方式不同,該傳感器的驅(qū)動(dòng)模式分為恒流、恒壓和恒溫式。本文采用的驅(qū)動(dòng)模式為恒流式驅(qū)動(dòng)。該熱膜式剪應(yīng)力傳感器在測(cè)試應(yīng)用前需進(jìn)行標(biāo)定,以建立傳感器輸出電壓E與壁面剪應(yīng)力τb的標(biāo)定關(guān)系。熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器對(duì)環(huán)境溫度的變化敏感[19],對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)模式下工作的傳感器還沒有很好的水下溫度校正方法,因此需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同的水溫條件進(jìn)行標(biāo)定。

破碎波實(shí)驗(yàn)所用的傳感器由具有溫控功能的水下壁面剪應(yīng)力傳感器標(biāo)定裝置標(biāo)定,該裝置可實(shí)現(xiàn)不同水溫條件下的傳感器標(biāo)定。該裝置的標(biāo)定段為矩形截面的寬扁管道,管道長(zhǎng)3000mm、寬220mm、高20mm。考慮到管道邊壁的影響,標(biāo)定段內(nèi)壁面剪應(yīng)力與沿程壓力梯度的關(guān)系可由下式計(jì)算[20]:

式中:τb為上下壁面中心線上的最大剪應(yīng)力;Bc為寬扁管道的寬度;Hc為寬扁管道的高度。

恒流驅(qū)動(dòng)膜式下的MEMS柔性熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器具有如下形式的標(biāo)定公式[12]:

式中:A、B、n為需要通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)來確定的標(biāo)定系數(shù)。本次應(yīng)用研究即采用標(biāo)定公式換算測(cè)量的底部剪應(yīng)力。在破碎波實(shí)驗(yàn)前,需根據(jù)波浪水槽內(nèi)的水體溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的傳感器分別進(jìn)行標(biāo)定。如果水溫變化過大,則需要在波浪實(shí)驗(yàn)之后進(jìn)行補(bǔ)充標(biāo)定。

2 破碎波實(shí)驗(yàn)布置

破碎波實(shí)驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院的波浪水槽中進(jìn)行,波浪水槽工作段長(zhǎng)40m,寬0.8m,深1m(見圖3)。水槽頭部配有具有主動(dòng)吸收功能的推板式造波機(jī),可產(chǎn)生各種波浪要素的規(guī)則波和不規(guī)則波。實(shí)驗(yàn)中的波高由南京水利科學(xué)研究院研制的NH型電導(dǎo)式波高儀測(cè)量,采樣頻率為50Hz。水槽側(cè)壁安裝有高清攝像機(jī),用以記錄波浪破碎過程。流速由Nortek Vectrino三維聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀(ADV)測(cè)量,流速測(cè)點(diǎn)距探頭5cm,采樣頻率25Hz。流速測(cè)量主要用于輔助判別剪應(yīng)力的方向,ADV的流速測(cè)點(diǎn)距離傳感器上方5mm處,采樣點(diǎn)高度為4.6mm。

波浪水槽的實(shí)驗(yàn)布置如圖4所示。斜坡的坡度為1∶15,斜坡坡腳距離造波機(jī)21.8m。實(shí)驗(yàn)斜坡采用厚度為8mm的光面PVC塑料板拼接而成,接縫處用玻璃膠密封,玻璃膠用小刀刮平以后表面再用厚度為0.05mm的PET聚酯薄膜膠帶覆蓋以保證接縫處平整光滑。實(shí)驗(yàn)斜坡底部采用桁架支撐,并用螺栓固定于波浪水槽底部的水泥平臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)斜坡與波浪水槽側(cè)壁的接縫處用玻璃膠密封。

斜坡上每間隔一段距離安裝剪應(yīng)力傳感器。剪應(yīng)力傳感器連同標(biāo)定時(shí)使用的有機(jī)玻璃底板一起安裝于斜坡上(見圖5)。剪應(yīng)力傳感器與斜坡接縫處用工業(yè)橡皮泥填充密封后再用小刀刮平。剪應(yīng)力傳感器在實(shí)驗(yàn)斜坡上的布置位置如表1所示。剪應(yīng)力傳感器的采樣頻率為500Hz,采樣時(shí)間為60s。實(shí)驗(yàn)過程中波浪水槽內(nèi)水溫范圍為21～21.5℃。

表1 破波實(shí)驗(yàn)的測(cè)量斷面布置Table1 Measurement sections of bed shear stress

測(cè)試應(yīng)用實(shí)驗(yàn)采用的入射波浪為規(guī)則波,波浪的破碎形式可由破波相似系數(shù)區(qū)分,當(dāng)以深水的波浪要素表示時(shí),破波相似系數(shù)ξ0定義如下:

式中:tanβ為實(shí)驗(yàn)斜坡的坡度;H0為深水波高;L0為深水波長(zhǎng)。當(dāng)ξ0＜0.5時(shí)為崩破波;當(dāng)0.5＜ξ0＜3.3時(shí)為卷破波;當(dāng)3.3＜ξ0為激破波。當(dāng)忽略波浪在淺化過程中的能量損失時(shí),根據(jù)波能流守恒和線性波理論,深水波高H0可由下式計(jì)算:

式中:H為斜坡坡腳處的波高;h為斜坡坡腳處的水深;波數(shù)k=2π/L;L為斜坡坡腳處的波長(zhǎng)。其中k可根據(jù)波浪色散關(guān)系公式,由波浪周期T和h計(jì)算得到。

式中:g為重力加速度。深水波長(zhǎng)L0=g T2/(2π)。

本次破碎波測(cè)試應(yīng)用采用的波浪要素匯總于表2。波浪水槽中實(shí)際觀測(cè)到的波浪破碎形式為卷破波,與根據(jù)深水破波相似參數(shù)ξ0區(qū)分的相一致。

表2 破波實(shí)驗(yàn)波浪要素Table 2 Wave parameters for breaking wave experiment

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

由于該剪應(yīng)力傳感器無法識(shí)別方向,因此需要通過ADV測(cè)量的流速輔助判斷方向。方向判斷的依據(jù)主要有2點(diǎn):一是波浪邊界層內(nèi)的床面剪應(yīng)力與主流存在小于45°的相位超前[9],并且在越接近床面的地方相位差越小;二是根據(jù)近底流速在向岸和離岸方向的極值大小以及持續(xù)時(shí)間來判斷。

圖6為測(cè)量斷面H2處床面剪應(yīng)力與流速對(duì)比圖。傳感器可以直接測(cè)量出床面剪應(yīng)力的連續(xù)變化情況。在規(guī)則波作用情況下,傳感器輸出電壓也呈現(xiàn)周期性變化。在一個(gè)周期內(nèi)(2s),輸出電壓會(huì)出現(xiàn)2個(gè)峰值和2個(gè)谷值,分別對(duì)應(yīng)的是床面剪應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)向和達(dá)到最大值的位置。圖中第2行為標(biāo)定公式計(jì)算得到的床面剪應(yīng)力|τb|。標(biāo)定公式為冪函數(shù)的形式,因此計(jì)算得到最小床面剪應(yīng)力只會(huì)趨近于0。圖中第4行為根據(jù)同步測(cè)量的近底流速u進(jìn)行方向判斷以后得到的床面剪應(yīng)力τb,正值表示向岸方向,負(fù)值表示離岸方向。

需要指出的是ADV在近壁處的流速測(cè)量上還存在一定的不確定性。Koca等[21]認(rèn)為測(cè)點(diǎn)距離床面1.7～5mm高度的范圍內(nèi)會(huì)受到床面的干擾,其影響程度取決于床面的材料特性。本研究中ADV的流速采樣點(diǎn)高度為4.6mm,接近于流速測(cè)點(diǎn)距剪應(yīng)力傳感器的距離,但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,剪應(yīng)力傳感器上方5mm處同步測(cè)量的流速可以用于在波浪未破碎情況下的床面剪應(yīng)力方向判斷。

在波浪劇烈破碎的地方存在很強(qiáng)的摻氣現(xiàn)象(見圖7),此時(shí)ADV和剪應(yīng)力傳感器的信號(hào)都會(huì)受到氣泡的干擾。波浪破碎以后帶來的紊動(dòng)和渦旋也會(huì)對(duì)方向的判斷帶來不確定性。在ADV信號(hào)被干擾的測(cè)量斷面,只記錄床面剪應(yīng)力的絕對(duì)值|τb|。

大部分水下測(cè)量?jī)x器都會(huì)受摻氣的影響,例如ADV、LDV(激光多普勒流速儀)等,這里摻氣現(xiàn)象會(huì)對(duì)傳感器的輸出和壁面剪應(yīng)力的大小同時(shí)產(chǎn)生一定的影響。空氣的換熱效率較水要低,當(dāng)氣泡經(jīng)過傳感器時(shí),熱敏元件的溫度會(huì)突然升高,該傳感器的輸出電壓也會(huì)升高,與沒有氣泡的情形相比,此時(shí)會(huì)短暫地輸出一個(gè)較小的壁面剪應(yīng)力。這與實(shí)際情形也是相對(duì)應(yīng)的,因?yàn)閾綒鈺?huì)使壁面剪應(yīng)力減小[22]。由于標(biāo)定公式是在水下情況得到的,空氣產(chǎn)生的壁面剪應(yīng)力雖然較相同情況下的水介質(zhì)要小,但減小的具體大小并不能通過水下標(biāo)定公式得到。對(duì)于河口海岸泥沙問題的研究,一般只關(guān)心床面剪應(yīng)力極大值的大小,并且根據(jù)視頻記錄,本次實(shí)驗(yàn)中氣泡主要集中于水體上部,少部分觸底的氣泡也很快會(huì)因?yàn)楦×Χ撾x床面。因此,結(jié)合該傳感器的工作原理和應(yīng)用目標(biāo),摻氣現(xiàn)象不影響對(duì)床面剪應(yīng)力極大值的研究。

圖8為斜坡上沿程各測(cè)量斷面的床面剪應(yīng)力隨時(shí)間變化的情況。其中斷面H4～H6由于前面提到的方向判別問題,只給出床面剪應(yīng)力的絕對(duì)值。波浪在破碎前(見圖8中斷面H1～H3),床面剪應(yīng)力呈周期性變化,向岸方向的最大床面剪應(yīng)力大于離岸方向的最大剪應(yīng)力,但是床面剪應(yīng)力在向岸方向的持續(xù)時(shí)間要比離岸方向短。這與波浪在斜坡上淺化時(shí)波浪形狀變?yōu)椴粚?duì)稱有關(guān)。此時(shí),床面剪應(yīng)力仍由波浪邊界層主導(dǎo)。當(dāng)波浪破碎以后(見圖8中斷面H4～H6),床面剪應(yīng)力信號(hào)的變化在破碎以后仍然呈現(xiàn)一定的周期性變化,但部分周期存在一定的偏移。這是波浪在破碎以后產(chǎn)生的強(qiáng)非線性積累的結(jié)果。波浪破碎產(chǎn)生的紊動(dòng)和渦旋侵入到波浪邊界層,對(duì)床面剪應(yīng)力的信號(hào)產(chǎn)生顯著的影響,與波浪破碎前相比,床面剪應(yīng)力的波動(dòng)變得劇烈。

各測(cè)量斷面的最大床面剪應(yīng)力均值|τm|通過下式計(jì)算:

式中:|τmax|為每個(gè)波周期內(nèi)出現(xiàn)的最大床面剪應(yīng)力值,N為波浪的采樣個(gè)數(shù)。圖9為斜坡沿程各斷面最大床面剪應(yīng)力均值的分布情況。從圖中可以看出,沿程最大床面剪應(yīng)力均值有向岸增大的趨勢(shì),在波浪破碎之前變化趨勢(shì)較為平緩。最大床面剪應(yīng)力均值在卷破水舌入射點(diǎn)之后的位置(H5)會(huì)出現(xiàn)顯著的增大,較破波點(diǎn)位置處(H3)出現(xiàn)了約2倍的放大效應(yīng)。由于缺少床面剪應(yīng)力方向的信息,此極值對(duì)應(yīng)的方向并不明確。

對(duì)于河口海岸工程中泥沙輸移的問題,剪應(yīng)力的方向關(guān)系到泥沙輸移的方向,在波浪水槽實(shí)驗(yàn)中一般只需要考慮床面剪應(yīng)力的正負(fù)變化,對(duì)于波浪港池中的實(shí)驗(yàn),則需要對(duì)平面360°進(jìn)行全向識(shí)別,因此在該傳感器未來的開發(fā)中亟需解決剪應(yīng)力方向識(shí)別的問題。

4 結(jié) 論

在波浪破碎情況下,對(duì)MEMS柔性熱膜式剪應(yīng)力傳感器進(jìn)行了測(cè)試應(yīng)用實(shí)驗(yàn),討論了該傳感器在破碎波作用下的工作情況,并初步探明了破碎波作用下的床面剪應(yīng)力變化特征,得出如下結(jié)論:

(1)MEMS柔性熱膜式剪應(yīng)力傳感器可以應(yīng)用于破碎波作用下的床面剪應(yīng)力測(cè)量。

(2)在破波點(diǎn)之前可以通過ADV測(cè)得的近底流速來判斷床面剪應(yīng)力的方向。當(dāng)波浪破碎以后,底部剪應(yīng)力方向的準(zhǔn)確判斷仍然困難。

(3)在波浪破碎之前床面剪應(yīng)力變化較為平緩,在波浪破碎之后床面剪應(yīng)力的波動(dòng)和極值都會(huì)增大。斜坡上沿程最大床面剪應(yīng)力均值的極值出現(xiàn)于卷破水舌入射點(diǎn)之后。

致謝:西北工業(yè)大學(xué)微/納米系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室馬炳和教授的團(tuán)隊(duì)為本文的研究提供了MEMS柔性熱膜式剪應(yīng)力傳感器和幫助,作者在此表示感謝。

[1] 鄒志利.海岸動(dòng)力學(xué)[M].第四版.北京:人民交通出版社,2009.Zou Z L.Coastal hydrodynamics[M].4th ed.Bejing:China Communications Press,2009.

[2]Mirfenderesk H,Young I R.Direct measurements of the bottom friction factor beneath surface gravity waves[J].Applied Ocean Research,2003,25(5):269-287.

[3]Huo G,Wang Y G,Yin B S,et al.A new measure for directmeasurement of the bed shear stress of wave boundary layer in wave flume[J].Journal of Hydrodynamics,Ser B,2007,19(4):517-524.

[4]Pujara N,Liu P L F.Direct measurements of local bed shear stress in the presence of pressure gradients[J].Experiments in Fluids,2014,55(7):1-13.

[5]Pujara N,Liu P L F,Yeh H.The swash of solitary waves on a plane beach:flow evolution,bed shear stress and run-up[J].Journal of Fluid Mechanics,2015,779:556-597.

[6]Arnskov M M,Freds?e J,Sumer B M.Bed shear stress measurements over a smooth bed in three-dimensional wave-current motion[J].Coastal Engineering,1993,20(3):277-316.

[7]Sumer B M,Arnskov M M,Christiansen N,et al.Two-component hot-film probe for measurements of wall shear stress[J].Experiments in Fluids,1993,15(6):380-384.

[8]Jensen B L,Sumer B M,Freds?e J.Turbulent oscillatory boundary layers at high Reynolds numbers[J].Journal of Fluid Mechanics,1989,206:265-297.

[9]Carstensen S,Sumer B M,Freds?e J.Coherent structures in wave boundary layers.part 1.oscillatory motion[J].Journal of Fluid Mechanics,2010,646:169-206.

[10]Musumeci R E,Marletta V,AndòB,et al.Measurement of wave near-bed velocity and bottom shear stress by ferrofluids[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2015,64(5):1224-1231.

[11]梁婷,夏云峰,徐華,等.波浪作用下床面切應(yīng)力測(cè)量初探[J].水道港口,2010,31(5):425-428.Liang T,Xia Y F,Xu H,et al.Preliminary study of bed shear stress measurement under wave action[J].Journal of Waterway and Harbor,2010,31(5):425-428.

[12]Xu H,Xia Y F,Ma B H,et al.Research on measurement of bed shear stress under wave-current interaction[J].China O-cean Engineering,2015,29(4):589-598.

[13]Boers M.Surf zone turbulence[D].Netherlands:Delft University of Technology,2005.

[14]Deigaard R,Freds?e J,Mikkelsen M B.Measurements of the bed shear stress in a surf zone[R].Progress Report 73,Lyngby:Institute of Hydrodynamics and Hydraulic Engineering,Technical University of Denmark,1991:21-30.

[15]Yüksel Y,?evik E?,Kapdan?li S.Bed shear stress distribution over beach profiles[J].Journal of Coastal Research,1998,14(3):1044-1053.

[16]Sumer B M,Sen M B,Karagali I,et al.Flow and sediment transport induced by a plunging solitary wave[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2011,116(C1):C01008.

[17]Sumer B M,Guner H,Hansen N M,et al.Laboratory observations of flow and sediment transport induced by plunging regular waves[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2013,118(11):6161-6182.

[18]Schlichting H,Gersten K.Boundary-layer theory[M].9th ed.Berlin:Springer,2016.

[19]馬炳和,王毅,姜澄宇,等.柔性熱膜剪應(yīng)力傳感器水下測(cè)量溫度修正[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2014,28(2):39-44.Ma B H,Wang Y,Jiang C Y,et al.Temperature correction of flexible thermal shear stress sensor for underwater measurements[J].Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2014,28(2):39-44.

[20]Knight D W,Patel H S.Boundary shear in smooth rectangular ducts[J].Journal of Hydraulic Engineering,1985,111(1):29-47.

[21]Koca K,Noss C,Anlanger C,et al.Performance of the Vectrino Profiler at the sediment-water interface[J].Journal of Hydraulic Research,2017:1-9.(in press,doi:10.1080/00221686.2016.1275049.)

[22]Murai Y.Frictional drag reduction by bubble injection[J].Experiments in Fluids,2014,55(7):1773.

Preliminary application of hot-film wall shear stress sensor under breaking waves

Hao Siyu1,2,3,4,*,Xia Yunfeng1,3,4,Xu Hua1,3,4,Cai Zhewei1,3,4
(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;3.The State Key Laboratory of Hydrology-water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing 210098,China;4.Key Laboratory of Port,Waterway and Sedimentation Engineering of Ministry of Transport,Nanjing 210024,China)

The knowledge of the bed shear stress under breaking waves is essential for understanding the sediment transport and beach morphology in the surf zone.The turbulence and vortexes generated by breaking waves have a significant effect on the bed shear stress.Application tests of the bed shear stress measurement under breaking waves by the MEMS flexible hot-film shear stress sensor are conducted in a wave flume.The experimental results show that the sensor can be applied to the measurement of the bed shear stress under breaking waves.Before the breaking point,the direction of the bed shear stress can be determined by the near-bed velocity.The change of the bed shear stress is gentle before wave breaking.The fluctuations and the peak value of the bed shear stress increase after wave breaking.The extreme value of the average maximum bed shear stress along the slope appears after the plunging point.

breaking waves;wall shear stress sensor;bed shear stress;plunging breaker

TV131

:A

(編輯:楊 娟)

2017-03-06;

:2017-05-22

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2013YQ040911);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309158)

*通信作者E-mail:haosiyu@whu.edu.cn

Hao S Y,Xia YF,Xu H,et al.Preliminary application of hot-film wall shear stress sensor under breaking waves.Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2017,31(3):60-65.郝思禹,夏云峰,徐 華,等.熱膜式剪應(yīng)力傳感器在破碎波作用下的應(yīng)用初探.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2017,31(3):60-65.

1672-9897(2017)03-0060-06

10.11729/syltlx20170037

郝思禹(1989-),男,江蘇建湖人,博士研究生。研究方向:河口海岸及近海工程水動(dòng)力環(huán)境。通信地址:江蘇省南京市鼓樓區(qū)虎踞關(guān)34號(hào)南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所(210024)。E-mail:haosiyu@whu.edu.cn