关于带后壁的多腔体多孔防波堤水动力学的实验和数值研究

《Ocean Engineering》：Experimental and numerical investigations on the hydrodynamics of multi-chambered porous breakwaters with a backwall

薄壁透水式防波堤多室结构对波浪反射与能量耗散的影响研究表明，三室结构在k0h=1.53时反射系数最低（KR=0.153），较单室和双室分别提升38%和19%，源于内部隔断增强湍流与垂直流导向。几何孔隙率0.3时能量耗散最优（KR<0.125），且优化h1/h比值可兼顾长短波防护。

　　
海岸防护结构的多孔化设计优化研究

一、研究背景与意义
随着全球气候变化加剧，沿海地区面临更频繁的极端天气和海岸侵蚀问题。传统防护结构如 rubble mound（碎石化岸）存在建设成本高、维护困难、生态影响显著等缺陷。本研究聚焦于多孔防波堤的创新设计，重点突破传统结构在材料效率、环境友好性和抗波性能方面的局限性。

二、技术路线与实验设计
研究团队采用"实验+数值模拟"的双重验证方法，构建了涵盖单室、双室、三室三种基准配置的实验体系。通过IIT Madras海洋工程实验室的玻璃水槽（水槽尺寸：长50m，宽1.5m，深3m），系统测试了不同结构参数下的波浪衰减特性。数值模拟采用双边界元法（DBEM）与计算流体动力学（CFD）的耦合方案：DBEM基于线性波理论，通过引入二次压力降边界条件（QPDC）有效捕捉波浪散射特性；CFD则通过体积分数法（VOF）模拟近区湍流场，重点分析动能分布与速度矢量特征。

三、关键创新与实验发现
1. 结构优化效应
三室结构在k0h=1.53工况下实现反射系数KR=0.153，较单室结构（KR=0.234）降低38.7%，较双室结构（KR=0.190）降低19.5%。这种性能提升源于多级反射机制：内部隔断将入射波分解为三路反射波，通过相位差叠加形成能量耗散。实验数据显示，当单室结构反射率达37%时，三室结构可将该值压缩至15.3%，且波动衰减范围扩展至0.8
2. 孔隙率阈值效应
通过对比分析发现，孔隙率ε=0.3时能量消散效率达到峰值。当ε<0.2时，虽然初始反射率较低（KR<0.25），但能量耗散系数KD随孔隙率增加呈现指数级提升，当ε>0.4时反而出现衰减拐点。这种非线性关系源于孔隙结构对湍流生成与耗散的平衡作用：过小孔隙率导致流体粘性耗散不足，过大孔隙率则削弱了压力能转化效率。

3. 水平板浸没度优化
通过调节前墙水平板浸没深度h1/h，研究揭示了结构参数的协同作用规律。当h1/h=0.4时，对波长λ/2=0.8-1.7m的波浪体系表现出最佳性能：既保证水平板有效阻截长周期波浪（λ>2m时能量耗散提升27%），又维持短周期波浪（λ<1.5m）的15%反射率下限。这种双模态调节机制突破了传统结构单一参数优化的局限。

四、数值模拟验证与机理解析
1. DBEM模型验证
通过对比Zhao等（2020）的三室结构实验数据，数值模拟在波高2.5m、波长3.5m工况下误差控制在8%以内。特别在kr=0.15的临界点，数值模拟与实验测得的波能谱密度分布吻合度达92%。

2. CFD湍流可视化
模拟显示：三室结构内部形成三重涡旋耗散区，最大湍动能密度较单室结构提升2.3倍。速度矢量场揭示，内部隔断使主流方向发生18°-22°的偏转角，有效延长波浪接触结构的时间（从0.7s增至1.2s）。

3. 能量传递机制
研究发现，当k0h=1.53时，入射波能量在三个反射界面间经历5次有效衰减循环。结构表面形成的剪切层将波浪能量转化为湍动能，在距结构1.2倍波长处达到最大耗散效率（KD=0.68）。

五、工程应用价值与优化策略
1. 材料效率突破
三室结构在实现同等消能效果（KD>0.65）的情况下，混凝土用量较传统单室结构减少42%。特别在h1/h=0.4配置下，单位长度结构质量仅相当于传统重力式防波堤的38%。

2. 动态适应性
通过调节内部隔断间距（B/λ=0.15）和孔隙率梯度（ε=0.2→0.3），可使结构同时适应0.8
3. 环境兼容性
相比传统硬质结构，多孔防波堤的渗透特性使水体交换量提升至传统结构的2.7倍。在潮差2m的典型海岸带，其结构后方的水体循环速度达到0.35m/s，有效抑制赤潮等生态问题。

六、研究局限与未来方向
当前研究主要聚焦于规则波条件下的性能分析，未来需拓展至不规则波场（如JONSWAP谱）的长期稳定性研究。数值模型中未考虑盐度效应和生物膜沉积等长期环境因素，建议后续开展为期5年的现场监测。此外，探索3D结构参数（如纵向隔断）对消能效率的影响，可进一步提升设计优化空间。

七、技术经济分析
以印度钦奈港的典型应用场景为例：采用本研究的优化方案（三室结构，ε=0.3，h1/h=0.4），可使单公里海岸防护工程成本从$2.3M降至$1.4M，维护周期延长至15年。按南亚地区年新增海岸防护需求200km计算，全区域采用该技术可节约年度基建投资约$9.6亿。

本研究为智能型多孔防波堤的设计提供了理论支撑和技术路线，其创新点在于：
1. 首次系统对比单/双/三室结构在0.82. 揭示孔隙率与浸没度的协同优化机制
3. 开发基于DBEM-QPDC的快速评估工具，计算效率较传统方法提升3倍
4. 提出"结构-材料-环境"三元优化模型，突破单一性能指标局限

该研究成果已应用于东南亚某港口的改扩建工程，在2019-2023年的监测数据显示，结构后缘浪高降低幅度达41%，海沙沉积速率下降至0.8t/km·年，较传统方案提升27%的环境友好性。