DOI: https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2026.124601
تاريخ النشر: 2026-02-14
المؤلف: Philippe Druault وآخرون
الموضوع الرئيسي: أمواج المحيط والاستشعار عن بُعد
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة أهمية فهم تفاعلات الموجات والدوامات في مواقع الطاقة المدية التي تتميز بهياكل تدفق كبيرة الحجم وبيئات متموجة. تستخدم الأبحاث طريقة جديدة لمعالجة البيانات بعد التجربة تعتمد على التحليل المتعامد الصحيح (POD) لتحليل بيانات تصوير سرعة الجسيمات (PIV) من خزان تجريبي. تشير النتائج إلى أن المكون العمودي المضطرب قابل للمقارنة مع المكون العمودي المتموج، خاصة في المناطق التي تهيمن فيها انتشار الموجات على الاضطراب. تكشف الدراسة أن تأثيرات الموجات على تبادل الطاقة العمودية تتأثر بعوامل مثل القرب من سطح الماء، ومستويات الطاقة الحركية في التدفق، واتجاه انتشار الموجات، مع ملاحظات تأثيرات كبيرة عندما تنتشر الموجات ضد التيار.
تؤكد النتائج على ضرورة أخذ سرعات الموجات المدارية في الاعتبار عند وصف انتقالات الطاقة العمودية بين الموجات والاضطراب، حيث يمكن أن تغير بشكل كبير ديناميات الدوامات عندما تقترب مستويات الطاقة الحركية المضطربة من تلك الخاصة بتقلبات الموجات السطحية. تدعو الأبحاث إلى استخدام POD كطريقة فعالة لفصل الموجات والاضطراب في التدفقات القصية المعقدة، على الرغم من أنها تعترف بحدود النهج الحالي، خاصة فيما يتعلق بفرضية الاستقلال الخطي بين مكونات الموجات والاضطراب. يُقترح أن تشمل الأعمال المستقبلية تحليلًا مقارنًا مع طرق فصل الموجات الأخرى واستكشاف توسيع تقنية POD لاستيعاب الموجات غير المنتظمة، مما يعزز فهم تفاعلات الموجات والاضطراب في تكوينات التدفق المختلفة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التأثير الكبير للتيارات البحرية على عمليات بيئية مختلفة، بما في ذلك نقل الرواسب، والتنوع البيولوجي البحري، وسلامة الهياكل القاعية. تؤكد على إمكانية التيارات المدية كمصدر للطاقة المتجددة، مشيرة إلى الاضطراب الموجود في هذه التيارات بسبب التفاعلات على مقاييس زمنية ومكانية متعددة. تحدد الورقة هياكل التدفق الكبيرة، المتأثرة بكل من عدم انتظام قاع البحر الطبيعي والعوامل البشرية، كعوامل حاسمة في نقل المواد البيولوجية وإرهاق أجهزة الطاقة المدية.
يهدف المؤلفون إلى دراسة التفاعلات غير المستقرة بين الموجات والدوامات في عمود الماء، خاصة في الأعماق ذات الصلة بمحولات الطاقة المدية. ركزت الدراسات السابقة بشكل أساسي على التفاعلات السطحية، لكن هذا العمل يسعى لفهم كيفية تأثير هذه التفاعلات على سلوك التوربينات في المياه العميقة. تستعرض المقدمة أيضًا منهجيات مختلفة لفصل مكونات الموجات والاضطراب في بيانات السرعة، مشيرة إلى حدود التقنيات الحالية في وجود هياكل تدفق كبيرة. تستخدم الطريقة المقترحة التحليل المتعامد الصحيح (POD) لعزل المساهمات الطاقية لحقول الموجات بشكل مثالي، مما يمهد الطريق لتحليل مفصل لتفاعلات الموجات والاضطراب وتبادلاتها الطاقية داخل عمود الماء.
طرق
تم إجراء الإعداد التجريبي لهذه الدراسة في خزان الموجات والتيارات في Ifremer في بولوني سور مير، فرنسا، كما تم تفصيله سابقًا بواسطة Gaurier et al. (2025). يتم تعريف نظام الإحداثيات الكارتيزي باستخدام الاتجاهات الطولية ($x$)، والعرضية ($y$)، والعمودية ($z$)، مع تمثيل متجه السرعة كـ $\mathbf{V} = u \mathbf{e_x} + v \mathbf{e_y} + w \mathbf{e_z}$. حددت شروط المدخل سرعة طولية موحدة قدرها $U_\infty = 0.8 \, \text{م/ث}$ وكثافة اضطراب تبلغ 1.5%. تم اختبار تكوينين للتدفق: الموجات الناتجة عن التيار (الحالة A) والموجات المعاكسة للتيار (الحالة B)، facilitated by the positioning of a wavemaker or wave absorber at the inlet.
تهدف الدراسة إلى تقييم طريقة جديدة لفصل حقول سرعة الموجات والاضطراب وسط هياكل التدفق الكبيرة، بدلاً من تكرار ظروف التدفق المضطرب المعقدة في Aldernay Race، المعروفة بتفاعلاتها المعقدة بين الموجات الجاذبية السطحية وهياكل التدفق المتأثرة بعمق قاع البحر (Mullings et al., 2023). تم حساب عدد رينولدز للتدفق كـ $Re = \frac{U_\infty D}{\nu} = 3.2 \times 10^5$، مع عمق غمر متوسط قدره $D \sim 0.4 \, \text{م}$. لمحاكاة ظروف الموجات البحرية، تم فرض موجات منتظمة بتردد قدره $f_w \approx 0.45 \, \text{Hz}$ في كلا التكوينين، مع الحفاظ على خصائص موجية ثنائية الأبعاد إلى حد كبير مع تأثيرات عرضية ضئيلة.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون قياس وتحليل حقول السرعة الفورية وخصائص الموجات في بيئة تدفق مضطرب باستخدام تصوير سرعة الجسيمات (PIV) وأجهزة قياس الموجات. تلتقط قياسات PIV، التي أجريت في مستوى عمودي في مركز الخزان، أثرًا مضطربًا متطورًا بالكامل تم إنشاؤه بواسطة صانع الموجات وشاطئ التخميد. تجد الدراسة أن الطاقة الموجية المدخلة في عمود الماء متشابهة عبر تكوينين للتدفق، على الرغم من ملاحظة اختلافات في الطول الموجي والسعة. تكشف الخصائص المتوسطة للتدفق أن سرعة القص أكثر وضوحًا في الحالة التي تنتشر فيها الموجات مع التيار، بينما تظل كثافة الاضطراب منخفضة في المناطق ذات التدفق شبه الموحد.
يطبق المؤلفون التحليل المتعامد الصحيح (POD) لاستخراج الهياكل المتماسكة من التدفق المضطرب، موضحين أن أوضاع POD الأولى تلتقط محتوى طاقي كبير، حيث تظهر الحالة A توزيعًا أكثر توازنًا للطاقة عبر الأوضاع مقارنةً بالحالة B. تشير التحليلات إلى أن تفاعلات الموجات والاضطراب تتأثر بالإعداد التجريبي والموقع العمودي لمستوى القياس. يتم التحقق من عملية التصفية المستخدمة لفصل مكونات الموجات والاضطراب من خلال تحليلات متنوعة، مما يكشف أن الطاقة الحركية الناتجة عن الموجات تؤثر بشكل كبير على تبادلات الطاقة الحركية المضطربة، خاصة عندما تنتشر الموجات ضد التيار. تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين حركة الموجات والاضطراب في تعديل خصائص التدفق وتوزيع الطاقة داخل عمود الماء.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2026.124601
Publication Date: 2026-02-14
Author(s): Philippe Druault et al.
Primary Topic: Ocean Waves and Remote Sensing
Overview
This section discusses the importance of understanding wave-vortex interactions in tidal energy sites characterized by large-scale flow structures and wavy environments. The research employs a new post-processing method based on Proper Orthogonal Decomposition (POD) to analyze experimental Particle Image Velocimetry (PIV) data from a flume tank. The findings indicate that the vertical turbulent component is comparable to the wavy vertical component, particularly in areas where wave propagation dominates turbulence. The study reveals that wave effects on vertical energy exchanges are influenced by factors such as proximity to the water surface, kinetic energy levels in the flow, and the direction of wave propagation, with significant effects observed when waves propagate against the current.
The results underscore the necessity of accounting for orbital wave velocities in characterizing vertical wave-turbulence energy transfers, as they can significantly alter vortex dynamics when turbulent kinetic energy levels approach those of surface wave fluctuations. The research advocates for the use of POD as an effective method for wave-turbulence separation in complex shear flows, although it acknowledges the limitations of the current approach, particularly regarding the assumption of linear independence between wave and turbulent components. Future work is suggested to include a comparative analysis with other wave-separation methods and to explore the extension of the POD technique to accommodate irregular waves, thereby enhancing the understanding of wave-turbulence interactions in various flow configurations.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant impact of ocean currents on various environmental processes, including sediment transport, marine biodiversity, and the structural integrity of seabed installations. It emphasizes the potential of tidal currents as a renewable energy source, noting the turbulence present in these currents due to interactions at multiple temporal and spatial scales. The paper identifies large-scale flow structures, influenced by both natural seabed irregularities and anthropogenic factors, as critical to the transport of biological materials and the fatigue of tidal energy devices.
The authors aim to investigate the unsteady interactions between waves and vortices in the water column, particularly at depths relevant to tidal energy converters. Previous studies have primarily focused on surface interactions, but this work seeks to understand how these interactions affect turbine behavior in deeper waters. The introduction also reviews various methodologies for separating wave and turbulence components in velocity data, noting the limitations of existing techniques in the presence of large-scale flow structures. The proposed approach utilizes Proper Orthogonal Decomposition (POD) to optimally isolate the energetic contributions of wave fields, setting the stage for a detailed analysis of wave-turbulence interactions and their energetic exchanges within the water column.
Methods
The experimental setup for this study was conducted in the wave and current flume tank at Ifremer in Boulogne-sur-Mer, France, as previously detailed by Gaurier et al. (2025). The Cartesian coordinate system used is defined by the streamwise ($x$), transverse ($y$), and vertical ($z$) directions, with the velocity vector represented as $\mathbf{V} = u \mathbf{e_x} + v \mathbf{e_y} + w \mathbf{e_z}$. The inlet conditions specified a uniform streamwise velocity of $U_\infty = 0.8 \, \text{m/s}$ and a turbulence intensity of 1.5%. Two flow configurations were tested: waves generated following the current (case A) and waves opposing the current (case B), facilitated by the positioning of a wavemaker or wave absorber at the inlet.
The study aims to evaluate a novel method for separating wave and turbulence velocity fields amidst large-scale flow structures, rather than replicating the complex turbulent flow conditions of the Aldernay Race, known for its intricate interactions between surface gravity waves and flow structures influenced by seabed bathymetry (Mullings et al., 2023). The flow Reynolds number was calculated as $Re = \frac{U_\infty D}{\nu} = 3.2 \times 10^5$, with a mean submergence depth of $D \sim 0.4 \, \text{m}$. To simulate sea-wave conditions, regular waves with a frequency of $f_w \approx 0.45 \, \text{Hz}$ were imposed in both configurations, maintaining largely two-dimensional wave characteristics with minimal transverse effects.
Discussion
In this section, the authors discuss the measurement and analysis of instantaneous velocity fields and wave properties in a turbulent flow environment using Particle Image Velocimetry (PIV) and wave probes. The PIV measurements, conducted in a vertical plane at the center of the tank, capture the fully developed turbulent wake generated by the wavemaker and damping beach. The study finds that the wave energy injected into the water column is similar across two flow configurations, although differences in wavelength and amplitude are noted. The mean flow characteristics reveal that the shear velocity is more pronounced in the case where waves propagate with the current, while the turbulence intensity remains low in regions of nearly uniform flow.
The authors apply Proper Orthogonal Decomposition (POD) to extract coherent structures from the turbulent flow, demonstrating that the first POD modes capture significant energy content, with case A showing a more even distribution of energy across modes compared to case B. The analysis indicates that the wave-turbulence interactions are influenced by the experimental setup and the vertical positioning of the measurement plane. The filtering process used to separate wave and turbulent components is validated through various analyses, revealing that the wave-induced kinetic energy significantly affects the turbulence kinetic energy exchanges, particularly when waves propagate against the current. The findings underscore the complex interplay between wave motion and turbulence in modifying flow characteristics and energy distribution within the water column.