对水下振动台及其IWAC对表面波影响的分析

《Ocean Engineering》：Analysis of the impact of an underwater shaking table and its IWAC on surface waves

水下振动台与充气防水气囊（IWAC）的协同运动对水面波浪的影响研究。通过液固气多相耦合数值模拟与实验，揭示了振动台水平与垂直运动对波浪高度的差异化影响：垂直运动在浅水条件下可使波浪高度增幅达79.49%，水平运动影响相对较小；水深对水平运动影响呈负相关，但垂直运动影响普遍显著。充气压力在所选范围内对波浪参数影响有限。研究成果为水下振动台与波浪模拟设备的优化设计提供理论支撑。

　　

文晓东|韩庆华|刘明杰|吴浩|严翔

国家地震工程研究中心（NSCEE），天津大学，天津，300350，中国

摘要

多灾种耦合模拟对实验设备提出了更高的要求，尤其是在模拟地震波与水流耦合等相互作用时。水下振动台主要用于模拟水下振动环境，其运动不可避免地会影响实验水箱内的流场。本文以水下振动台及其所使用的IWAC作为研究对象，探讨它们对水面及波浪发生板产生的表面波的影响。研究结果表明，振动台的水平运动对表面波的影响相对较小，而垂直运动的影响更为显著。与水平运动相比，垂直运动对波高的影响更大。在较深的水域条件下，水平运动对波高的影响较小；而在较浅的水域条件下，水平运动可能导致波高变化高达35.90%，而垂直运动则可能导致波高增加高达79.49%。此外，在本研究选定的压力范围内，IWAC的初始充气压力影响相对较小。研究结果为水下振动台的设计和应用提供了依据。

引言

地震和海浪对基础设施的联合效应是多灾种耦合动力学中的一个典型问题。这一现象本质上涉及低频地震脉冲与周期性波浪冲击在空间和时间维度上的非线性叠加，这大大增加了各种基础设施的灾害风险并加剧了结构损坏。多灾种相互作用过程的分析对测试模拟设备提出了更高的要求。水下振动台（Zhang等人，2020a, 2021；Ding等人，2018）能够模拟水下的振动环境，当与波浪和水流生成系统结合使用时，可以实现地震波与水流相互作用的耦合模拟。与基本的波浪和水流分析不同，水下振动台的运动会扰乱水箱内的流场，从而导致实际流场与设计流场之间的差异。为了最小化这种干扰造成的分析误差，研究振动台运动对流场的影响至关重要。通过对水下振动台垂直振荡引起的表面波生成进行了全面分析，从而能够精确控制用于海岸工程和地震模拟的水下波浪生成装置（Yan等人，2025）。

实际上，除了振动台本身外，周围的防水设施也会影响流场。以其优异稳定性著称的充气膜结构在水下振动台的防水设施中得到了越来越多的应用（Li等人，2019）。另一方面，充气膜结构在水下工程、港口工程和能源工程等领域也有广泛应用（Pimm等人，2011；Pimm等人，2014；Vasel-Be-Hagh等人，2015；Klar等人，2018；Miller等人，2013；Lombardi等人，2013；Joshi等人，2019；Zhang等人，2020b）。根据具体的应用场景，各种因素可能会显著影响这些结构的动态响应。在大多数情况下，研究主要集中在气动膜结构的动态响应上。然而，在某些特定情况下，必须考虑气动膜结构与外部流场之间的相互作用，例如在气动橡胶坝和波浪能转换装置中。气动橡胶坝（Rane等人，2019；Gao等人，2022）作为挡水结构，其内部充气压力与外部流场之间存在相互作用。充气压力的变化可以改变外部流场的波形和流速，而外部流场也会反过来影响气动橡胶坝的动态响应（Gao等人，2023a，2023b）。同样，波浪能转换装置（Kurniawan等人，2017；Wang等人；Yu等人，2024）主要受到波浪和水流的载荷影响。在这些情况下，波浪和水流参数以及充气压力是影响气动膜结构动态响应的主要因素。

从上述文献综述可以看出，压力变化起着关键作用，在分析水下气动膜结构与外部流场之间的相互作用时必须考虑这一点。根据当前的研究现状，一些研究将充气压力视为充气膜结构内部的均匀压力，忽略了动态响应过程中充气压力波动的影响。当充气膜结构内部空气压力的变化相对较小时，这种简化方法是有效的；然而，在涉及较大空气压力变化的场景中，分析结果可能不够准确。许多学者已经认识到这一局限性，并将空气压力变化的影响纳入了他们的分析中（Zhi等人，2024；Aboshio等人，2021）。

充气防水气垫（IWAC，图1）是一种用于水下固定设备（固定边界）和移动设备（移动边界）之间防水密封的充气膜结构。该结构通过向两个密封的防水膜层（上层膜和下层膜）之间的空腔注入加压空气形成，在运动过程中表现出优异的稳定性。移动边界会引起IWAC的协调运动，这不仅影响内部空气压力的变化，还会改变外部流场。这些空气压力和外部流场的变化随后会影响IWAC所承受的力和变形，从而产生复杂的水-膜-气耦合问题。考虑到水下应用环境，分析受边界运动效应、波浪和水流作用以及空气压力变化等多种因素影响的IWAC的动态响应特性至关重要。此外，研究IWAC对外部流场的影响规律可以有效校准波浪测试结果。

先前的研究表明，充气防水气垫中的压力变化可超过20%（Han等人，2022），这表明在分析充气防水气垫与外部流场之间的相互作用时必须考虑这一变化。此外，根据当前的研究现状，缺乏研究充气膜结构运动对外部流场（特别是波浪场）影响机制的研究。因此，有必要在这一领域开展相关研究。

章节片段

控制方程

首先，第2.1节介绍了IWAC的运动方程，并指出了IWAC运动过程中液-固-气三相耦合这一挑战性问题。随后，第2.2节主要阐明了尽管IWAC位于水箱底部，但它仍然受到波浪力的作用，并同时会对波浪场产生影响。第2.3节进一步阐述了水下振动台及其IWAC如何影响波浪场。

数值模拟方法

由于本文研究的对象是用于水下振动台的IWAC，IWAC内部是一个充满加压空气的空间，而外部被水包围。此外，外部结构较为复杂。IWAC的变形会导致内部气体压力和外部水流场的变化。反过来，空气压力和水压的变化也会导致IWAC的变形。数值模拟

振动台运动对水面自由度的影响

振动台具有水平和垂直运动特性，其运动函数曲线详见参考文献（Han等人，2022）。振动台的运动参数总结在表7中。

如图13所示，这是分析过程的空洞图。红色区域表示材料填充率为0，表示没有材料流经这些区域，对应于空洞值1。相反，蓝色区域表示

振动台运动对表面波的影响

通过第4节中的分析可以看出，振动台的运动会在水体的自由表面上产生高度差。这种高度差受到振动台的运动模式、水深以及IWAC的充气压力等因素的影响。实际上，在实验水箱中生成波浪是一种广泛采用的方法，用于分析波浪作用下的实验模型所受的力。因此，考虑这种影响

结论

本研究以水下振动台及其所使用的IWAC作为主要研究对象。通过采用液-固-气耦合数值模拟方法结合实验方法，研究了水下振动台运动对水面波浪的影响。此外，振动台的运动驱动IWAC协同运动，这也对水体产生了一定的影响。因此，动态响应

CRediT作者贡献声明

文晓东：撰写——原始草案、验证、软件、方法论、数据整理。韩庆华：资源获取、项目管理、资金筹措、概念构思。刘明杰：撰写——审阅与编辑、调查、正式分析。吴浩：撰写——审阅与编辑、验证。严翔：撰写——审阅与编辑、验证。

利益冲突声明

本手稿的所有作者均直接参与了本研究的规划、执行和/或分析。本手稿的内容尚未被任何其他机构版权保护或发表。本手稿的内容目前也没有在其他地方考虑发表。本手稿的任何作者都没有相关的已发表或未发表的手稿或摘要。

致谢

本项目得到了国家自然科学基金（编号：52320105004、52421005）的支持。

本研究中展示的实验使用了位于中国天津300350的国家地震工程模拟设施（NFEES）中的设备。本项目还得到了国家地震工程研究中心自主基金（编号：2025ZZB6002）的支持。