Das National Science Review veröffentlichte kürzlich eine Studie der Gruppe von Huaping Wang an der Zhejiang University. Inspiriert von elektromagnetischen Metamaterialien entwarf und fertigte das Forschungsteam ein Wasserwellen-Superstreugerät auf der Grundlage von Entartungsresonanz, indem es die Ähnlichkeit der Wasserwellengleichung und der elektromagnetischen Wellengleichung unter Flachwasserbedingungen nutzte, was experimentell realisiert wurde.
Wasserwellen sind ein sehr intuitives fluktuierendes Phänomen, das in der Natur weit verbreitet ist. Das Verständnis und die Kontrolle der Ausbreitung von Wasserwellen ist sowohl für die Hydrodynamik als auch für die Meerestechnik von Bedeutung. In den letzten Jahren haben sich Metamaterialien schnell entwickelt und sind zu einem nützlichen Werkzeug geworden, um elektromagnetische Wellen, elastische Wellen, akustische Wellen und Wasserwellen zu manipulieren. Die verbesserte Wasserwellenstreuung unter Verwendung von Metamaterialien hat eine breite Palette vielversprechender Anwendungen in der Meeresenergiegewinnung und im Küstenschutz.
Inspiriert von der Superstreuung in elektromagnetischen und akustischen Wellen ist es möglich, Wasserwellen-Superstreuer basierend auf Transformationsoptiken zu entwerfen, um eine Erhöhung der Streuintensität eines bestimmten Objekts zu erreichen. Die experimentelle Umsetzung bleibt jedoch aufgrund der extremen Anforderungen an anisotrope Parameter und unter Wasserwellenbedingungen eine große Herausforderung.
Basierend auf dem degenerierten resonanten Superscattering-Mechanismus entwarfen die Forscher die Superscatterer-Struktur von Wasserwellen in einem experimentellen Wassertank theoretisch und verifizierten sie experimentell. Der Subwellenlängen-Superscatter besteht aus mehreren konzentrischen Zylindern mit unterschiedlichen Höhen, und die Geometrie und Betriebsfrequenz des Superscatters werden durch einen simulierten Glühalgorithmus optimiert.
Durch die Gestaltung von Resonanzen mit unterschiedlichen Drehimpulskanälen kann der gesamte Streuquerschnitt die Grenze der Einkanalstreuung um ein Vielfaches überschreiten und auch die Streuintensität gewöhnlicher Streuer gleicher Größe bei weitem übertreffen. Bei einem gewöhnlichen Streuer werden die Resonanzen gespreizt und der gesamte Streuquerschnitt wird durch den einzelnen Kanal begrenzt.
In den Experimenten maß die Forschungsgruppe die Nahfeldmuster der Wasserwellen-Superstreuer, die mit den theoretischen Vorhersagen und numerischen Simulationen übereinstimmten, und maß außerdem die Superstreuungseffekte unter verschiedenen Randbedingungen, Wassertiefen und Frequenzen.
Diese Studie bietet eine einfache und kostengünstige Methode zur Verbesserung der Streuung von Wasserwellen, die zur Verbesserung der Streuung kleiner Objekte im Subwellenlängenbereich verwendet werden kann, und dies ist von hoher Relevanz für die Schiffstechnik, den Offshore-Küstenschutz usw. und können zukünftig in marinen Energy-Harvesting-Geräten und Küstenschutzanlagen eingesetzt werden.
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Zijian Qin et al, Superstreuung von Wasserwellen, National Science Review (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac255