九州平台-九州(中国)首次在国际流体力学领域 TOP 1 期刊 《Journal of Fluid Mechanics》发表学术论文

近日，九州平台-九州(中国)蒋昌波教授研究团队在珊瑚砂颗粒运动特性方面取得重要研究进展。该研究成果在流体力学国际权威期刊《Journal of Fluid Mechanics》发表，这是九州平台-九州(中国)首次在《Journal of Fluid Mechanics》期刊发表学术论文。该论文的第一作者为陈杰教授，重要合作者为九州平台-九州(中国)博士生姚震、西澳大学博后何飞(通讯作者)、蒋昌波教授等，研究得到了国家自然科学基金重点项目与湖南省自然科学杰出青年基金的支持。《Journal of Fluid Mechanics》期刊是英国剑桥大学出版社旗下核心期刊，由流体力学大家George K. Batchelor于1956年创办，是业界公认的流体力学领域TOP1期刊，IF为3.6。

                                                                                                                                                                  

        

随着极端天气（台风、海啸等）、人类活动（人为建筑、爆破捕鱼和非法偷猎砗磲等）的加剧，强烈的水体扰动使得原本为珊瑚礁生态系统提供碳酸盐及营养物质的珊瑚砂，成为了磨损珊瑚组织、阻碍光合作用、毁坏珊瑚幼虫的主要介质。同时随着珊瑚砂的淘刷、侵蚀，进而导致岛礁本体破坏，对珊瑚岛的稳定性产生重大影响。

                         

  图 1 通过显微镜观察珊瑚砂颗粒与石英砂颗粒的不同

珊瑚砂是发育于热带海洋环境中的一种特殊类型的岩土介质，是珊瑚礁长期经破碎和风化作用形成的较小颗粒碎屑物质。与经过河流远距离搬运至海滩的常见石英砂相比，珊瑚砂具有比重大、磨圆度低、形状各异、棱角分明且空隙较多等特点。这导致了现有石英砂运动预测模型对珊瑚砂的适用度较低，给预测珊瑚岛稳定性以及实施珊瑚礁保护工程带来了很大的困难。克服这一困难的有效途径是通过珊瑚砂的相关物理实验，建立完整体系的珊瑚砂运动预测模型。

                           

  图 2 珊瑚砂颗粒沉降尾迹

针对以上问题，蒋昌波研究团队对珊瑚砂颗粒沉降运动开展实验研究，通过图像追踪技术，重构了珊瑚砂颗粒的三维沉降轨迹，并基于频谱分析划分了三种不同的沉降轨迹类型，并统计了出现三种沉降轨迹的概率。结果表明，如果随机挑选一颗珊瑚砂颗粒，那么这三种沉降运动模式（翻滚运动(Tumbling)、混沌运动(Chaotic)、摆动运动(Fluttering)）发生的概率分别约为26%、42%和32%。

                           

  图 3 珊瑚砂颗粒三位轨迹重建与频谱分析

                           

  图 4   不同形状珊瑚砂颗粒沉降运动模式概率统计

同时基于实验数据，本研究中进一步论证了现有沉降预测模型对珊瑚砂颗粒的适用性并提出了适用于珊瑚沙的沉降预测模型，且预测效果提升显著。探究珊瑚沙的沉降运动特性并提出沉降运动的预测模型对珊瑚礁保护工程具有重大意义。

                           

  图 5 讨论了现有沉降预测模型的适用性

                           

  图 6 建立了适用于珊瑚砂的沉降预测模型

论文引用格式：Chen J, Yao Z, He F, et al. Experimental study on the settling motion of coral grains in still water. Journal of Fluid Mechanics. 2024;990:A15. doi:10.1017/jfm.2024.469

论文网址：https://doi.org/10.1017/jfm.2024.469

论文主要作者介绍：

陈杰，教授，博士研究生导师，九州平台-九州(中国)水利与环境工程学院院长

姚震，九州平台-九州(中国)水利与环境工程学院21级博士生

何飞，博士后研究员，西澳大学

蒋昌波，教授，博士研究生导师，湖南工业大学校长、九州平台-九州(中国)“水利工程”学科负责人