[论文解读] Effect of wind turbulence on wave generation over a viscous liquid

Romain Mathis, Sébastien Cazin+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2026

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一句话总结

本论文通过实验研究自由尾流湍流如何增强波纹并降低高度黏性液体上波形成的起始风速，表明波纹-波动转变在几乎恒定的摩擦速度下发生，但会随湍流水平而改变。

ABSTRACT

When wind blows over the surface of a viscous liquid, a clear transition from irregular small-amplitude streamwise-oriented wrinkles to well-defined nearly two-dimensional regular waves is observed at a critical wind velocity. We examine how free-stream turbulence in the air influences the growth of wrinkles and regular waves, as well as the transition between these two regimes. Experiments are carried out in a wind tunnel, in which air is blown over a tank filled with silicone oil whose viscosity is fifty times higher than that of water. The free-stream turbulence is enhanced using upstream grids, achieving relative turbulence intensities up to 8%. Surface deformations are measured using Free-Surface Synthetic Schlieren with micrometer accuracy. Velocity measurements are performed using hot-wire anemometry above the interface and particle image velocimetry in the liquid. Results reveal two primary effects of grid-enhanced free-stream turbulence: an increase in the wrinkle amplitude, and a reduction in the critical wind speed at the onset of regular waves. Nevertheless, the wrinkle-wave transition still corresponds to an approximately constant friction velocity. Similar to a classical boundary layer over a flat plate, the friction velocity is found to decrease with fetch. From a wave energy balance, we develop a qualitative model explaining why, with the highly viscous liquid considered here, this decrease in the friction velocity results in a non-monotonic variation of the wave amplitude with the fetch.

研究动机与目标

• 研究空气中的自由尾流湍流如何影响黏性液体表面的波纹生长与向规则波的转变。
• 确定格栅产生的湍流如何改变起始条件和表面形变幅度。
• 量化界面摩擦速度在波纹-波转变中的作用。
• 建立定性能量平衡视角以解释观测到的随风程(fetch)变化的行为。

提出的方法

• 风洞实验：空气吹过黏度为水的50倍的硅油层。
• 两组格栅(G32 与 G64)产生受控的自由尾流湍流水平，最高可达 ~8%。
• 在界面上方用热丝风速计测量风速与湍流度。
• 液相PIV以确定界面剪切和通过界面应力连续性得到的摩擦速度。
• 自由表面合成落差像差（Free-Surface Synthetic Schlieren）以微米级精确度绘制表面变形。
• 对表面高度数据进行分析以提取 zeta_rms 及其与 u* 与 U_a 的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 自由尾流湍流强度如何影响黏性液体上波纹幅度及波生成的起始条件？
• RQ2 波纹-波转变是否依赖于风程(fetch)，若依赖，其与摩擦速度 u* 的关系为何？
• RQ3 格栅诱导的湍流如何改变边界层特性以及波起始的临界条件？
• RQ4 波能量平衡框架是否能解释随风程变化所观测到的波幅非单调演化？

主要发现

• 自由尾流湍流增加波纹幅度并降低从波纹到波的转变的临界风速。
• 转变在大致恒定的摩擦速度 u*（约 0.33–0.35 m/s）下发生，但相应的风速 U_a 随着湍流增大而减小（8.0 m/s NG；5.9 m/s G32；5.1 m/s G64）。
• 摩擦速度随风程按 Schlichting 型规律衰减，格栅改变虚原点及前因子，从而影响 u* vs x 的关系。
• 在波纹阶段，波高与 u* 成正比，转变时跃升，转变时的 zeta_rms 约为 16 ± 4 μm。
• 转变时相对粘性尺度 delta_nu = nu_a / u* 的测得 zeta_rms 约为 0.36 ± 0.1，高于先前实验，可能由于所用硅油的表面张力较低所致。
• 湍流引起的波纹幅度大幅增加导致格栅条件下的 U_ac 下降。