《Ocean Engineering》：Scour mechanism and efficiency contrast between under-expanded and expanded air jets in underwater
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空气射流海底冲刷机制对比研究。通过对比膨胀与非膨胀空气射流在静水中的冲刷效应，发现膨胀射流通过粘性剪切侵蚀形成连续稳定的冲刷坑，其最大冲刷深度提升11-24%，累积冲刷面积扩大1.9倍，水平扩散速率提高3.9-7.9倍，冲刷形态符合经典剪切模型（R2=0.98）。非膨胀射流因剧烈的承载力失效机制导致冲刷效率低，冲刷坑形态呈现非经典凹面结构（R2=0.63）。研究揭示了射流膨胀状态对冲刷机制的主导作用，为海底开槽等海洋工程中选择高效射流模式提供量化依据。
强瑶辉|段彦忠|曹烈凯|朱德军|焦健|丁磊|窦西平|李丹勋
清华大学水利水电工程国家重点实验室，北京，100084，中国
摘要
选择高效的气射流海底冲刷模式需要理解射流膨胀状态如何控制冲刷机制和性能。本研究通过实验比较了在静止水中冲击非粘性沙床的欠膨胀和完全膨胀气射流。高速成像揭示了两种不同的机制：膨胀射流驱动连续的粘性剪切侵蚀（VSE），通过稳定的壁面限制剪切流迅速达到动态平衡（0.48-3.9秒），而欠膨胀射流则引发剧烈的承载能力失效（BCF），需要更长的时间（5.9-7.0秒），这是由于间歇性的爆炸性喷射。在相同的流动输入下，膨胀射流表现出明显的优越性能，最大颗粒携带高度增加了11-24%，累积携带面积扩大了多达1.9倍，水平扩散率提高了3.9到7.9倍。从形态上看，其冲刷剖面与经典剪切驱动模型（R2 = 0.98）非常吻合，而欠膨胀射流则产生一个凹形的、非经典的剖面（R2 = 0.63），下游输送能力有限。因此，射流膨胀状态（由相对于马赫盘的距离控制）决定了高效剪切主导和爆炸主导机制之间的转变，为选择海底挖掘和类似海洋工程应用中的完全膨胀模式提供了定量依据。
引言
海底冲刷和挖掘对于一系列海上工程操作至关重要，例如港口疏浚（Dong等人，2020年；Nguyen等人，2017年）、海底挖掘（Perng和Capart，2008年；Zhang等人，2016年）、桩的安装或提取（Bienen等人，2009年；Kohan等人，2015年；Passini等人，2018年）以及局部冲刷保护（Bombardelli等人，2018年；Cihan等人，2022年；Di Nardi等人，2021年；Kartal和Emiroglu，2023年；Maiti和Shepley，2025年；Palermo等人，2021年；Zhang等人，2024年）。虽然高压水射流是这些任务的常用工具，但对更高效或专用替代方案的探索仍在继续。高压气射流由于其可压缩性和独特的瞬态流动结构，提供了一个有吸引力的但理解较少的选择。尽管在航空航天领域已经广泛研究了它们的冲刷机制（例如，火箭着陆过程中的羽流-表面相互作用（Fujisawa等人，2019年；Jimenez Cuesta等人，2025年；Kuang等人，2013年；LaMarche等人，2017年；Mehta等人，2011年；Mehta等人，2013年；Metzger等人，2009年）），但它们在水下环境中的物理机制和效率仍不明确。因此，全面了解水下条件下的气射流冲刷对于评估其可行性并指导高效工程系统的设计至关重要。
水射流的良好表征行为提供了一个基础基准。过去几十年来，关于射流诱导冲刷的研究主要集中在高压水射流上。根据它们与水面的相互作用，水射流冲刷大致分为两种类型：浸没式冲刷和未浸没（垂直冲击）冲刷。在浸没式冲刷中，射流完全浸入水中，通过壁面剪切应力稳定传递动量；这种模式常见于海底管道冲刷和桩周围的沉积物清除等应用（Adduce和La Rocca，2006年；Chen等人，2022年；Mao等人，2023年，2024年；Mirikar等人，2024年；Zefzouf等人，2025年）。相比之下，未浸没（垂直冲击）冲刷发生在射流从空气中冲击水体时，产生强烈的湍流和局部侵蚀，通常与溢洪道设计和岩石保护相关（Bollaert和Schleiss，2010年；Pagliara等人，2006年；Salmasi和Abraham，2022年）。尽管流动特性不同，这两种类型通常都经历三个阶段的发展过程：初始冲刷孔形成、下游沉积物脊的发展，以及逐渐自相似的扩展直到达到平衡（Chen等人，2022年）。根据产生的流动模式和冲刷形态，定义了两种主要机制：强偏转射流机制（SDJR）和弱偏转射流机制（WDJR）（Aderibigbe和Rajaratnam，1996年）。这些机制之间的转变主要由射流冲击角度和速度决定，进而决定了冲刷强度和剖面几何形状。大量研究产生了各种预测模型，可以根据其主要关注点进行分类：平衡冲刷深度（Bombardelli和Gioia，2006年；Dey和Raikar，2007年；Gioia和Bombardelli，2005年；Hoffmans，2010年；Zhao等人，2019年）；冲刷深度的时间演化（Dey等人，2020a，2020b；Di Nardi等人，2022年；Palermo等人，2020年）；同时考虑平衡和时变行为的综合模型。其中，基于湍流现象学理论（PTT）的框架（Bombardelli和Gioia，2006年；Gioia和Bombardelli，2005年）明确考虑了冲刷过程中的湍流产生和耗散。该模型已在多种水力和沉积条件下得到验证（Di Nardi等人，2021年；Zhou等人，2020年），并针对特定配置（如倾斜射流和坡度控制结构）进行了改进（Bombardelli等人，2018年）。除了几何预测，研究还深入探讨了颗粒携带和传输机制（Buffon等人，2025年；Winterwerp等人，2002年）。例如（Buffon等人，2025年），确定了与不同冲刷阶段相关的直接和间接沉积物传输模式，强调了反映射流出口速度的密度弗劳德数作为主要控制变量，而射流角度和床面坡度的影响较小。相比之下，对水下气射流冲刷的理解还不够成熟。现有工作可以分为两个方向。
第一个方向涉及气体射流在空气中的颗粒床上冲击，这在航空航天工程中是一个重要的研究课题，因为它与航天器发射和着陆过程中的羽流-表面相互作用（PSI）相关（Guleria和Patil，2020年；Hata等人，2023年；Jimenez Cuesta等人，2025年；Wilson等人，2004年）。实验表明，气体驱动的侵蚀不是一个单一的过程，而是一系列主导机制的谱系，包括粘性剪切侵蚀（VSE）、承载能力失效（BCF）、扩散驱动流（DDF）、扩散气体喷射（DGE）和扩散气体爆炸性侵蚀（DGEE）（Jimenez Cuesta等人，2025年）。这项研究确定，射流膨胀状态（由喷嘴压力比Pe/Pb表征）是一个关键的控制参数。高度欠膨胀的射流（Pe ? Pb），其特征是桶形冲击波和马赫盘结构（Donaldson和Snedeker，2006年；Duronio等人，2023年），携带高动量和压力，容易穿透床面，通常导致剧烈的BCF（Mehta等人，2011年；Scott和Ko，1968年；Stubbs等人，2022年）。相反，完全膨胀的射流（Pe ≈ Pb）主要通过边界层发展和壁面剪切应力传递能量，驱动VSE特有的逐渐、逐颗粒的携带过程（Guleria和Patil，2020年；Metzger等人，2009年）。因此，在空气条件下，“欠膨胀”通常与“爆炸/失效型”侵蚀相关，而“膨胀”则与“剪切型”侵蚀相关。其他因素如喷嘴高度（Stubbs等人，2022年）和射流速度（Metzger等人，2009年）也会影响主导机制。像DGEE这样的独特现象，能够剧烈喷射大量颗粒，突显了与剪切冲刷根本不同的力学特性。
相比之下，第二个研究方向直接关注高压气体射流在水下对颗粒床的冲刷，这是海上工程的主要关注点。少数研究分析了射流速度、冲击角度、喷嘴尺寸、距离和颗粒大小等参数的影响（Mazurek和Rajaratnam，2005年；Rajaratnam，1981年；Rajaratnam和Beltaos，1977年；Rajaratnam和Berry，1977年；Rajaratnam和Mazurek，2002年）。这些研究发现，特征性的冲刷孔参数（最大深度、长度、脊高度等）主要取决于结合密度弗劳德数和相对冲击高度的侵蚀参数。该过程最终达到一个侵蚀率接近零的渐近状态，其中冲刷剖面表现出几何相似性（Aderibigbe和Rajaratnam，1996年；Rajaratnam，1981年），通常用指数函数描述（Rajaratnam和Berry，1977年）。与水射流相比，气射流可以创建更深更长的冲刷孔，并更快达到平衡，表明它们在应用上具有潜在优势（Rajaratnam，1981年）。然而，虽然已知射流膨胀状态在空气条件下至关重要，但其在水下控制基本冲刷机制的具体作用，以及对其冲刷效率和最终形态的定量影响，缺乏直接的实验验证和对比。这一差距使得为海上应用提供合理的模式选择指导变得困难，而在这些应用中，操作效率和可预测性至关重要。
因此，本研究采用了一种专注的比较实验，旨在分离射流膨胀状态的影响。具体目标是：（1）描述和对比两种膨胀状态下的基本机制和冲刷时间演化；（2）量化关键性能指标（颗粒携带、扩散）的差异；（3）阐明膨胀状态、冲刷机制和最终形态之间的因果关系；（4）为模式选择和优化提供初步的工程见解。通过建立这种直接的机制比较，本研究旨在为海洋工程中气射流冲刷的高效应用提供基础理解和定量依据。
部分摘录
水槽设置、材料和测量
实验在清华大学的矩形水槽中进行。水槽长6.0米，宽0.8米，深0.9米，如图1所示。水槽的尺寸相对于形成的冲刷孔来说足够大，确保侧壁边界对冲刷过程的影响可以忽略不计。测试部分位于水槽的中间，其侧壁和底部由12毫米厚的低铁钢化玻璃制成
两种不同的冲刷模式和演化
基于高速成像观察，在静止水中，超音速气射流诱导了两种根本不同的冲刷模式：一种由膨胀射流主导，另一种由欠膨胀射流主导。它们的基本机制分别对应于VSE和BCF。前者表现为连续的、高效的剪切主导过程，而后者则表现为剧烈的、效率较低的压强驱动过程。为了清晰说明，选取了两个代表性的
结论
这项实验研究通过六个控制良好的比较案例，阐明了射流膨胀状态在控制水射流冲击沙床时的冲刷机制和效率方面的决定性作用。在测试参数范围内得出的主要发现如下：
(1)冲击时的射流膨胀状态是测试条件下控制冲刷机制的主要因素。完全膨胀的射流驱动一个连续的
CRediT作者贡献声明
强瑶辉：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。段彦忠：写作 – 审稿与编辑，资源，项目管理，方法论，正式分析，概念化。曹烈凯：写作 – 审稿与编辑，验证，软件，方法论。朱德军：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，数据管理。焦健：方法论，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金资助（项目编号U2243241）的支持。
