关于孔型流聚焦人工礁阵列对波浪衰减及低速尾流产生的实验研究

《Ocean Engineering》：Experimental study on wave attenuation and low-velocity wake generation by orifice-type flow-focusing artificial reef arrays

人工礁开口比与阵列间距对波浪衰减及流场的影响研究。通过物理模型实验与OpenFOAM数值模拟，揭示了开口比φ≤0.20时波能耗散效率最优，形成强涡结构及稳定低流速区；阵列相对间距d/D=2.5时波传输系数最低（72.5%），此时涡相互作用充分且无布拉格共振干扰。提出考虑间距的传输系数经验公式：Kt=1.15?0.85(wr/L)+0.48(wr/L)2?0.13(H0/hc)，验证显示RMSE=0.0523，R2=0.84。研究为人工礁生态防护一体化设计提供理论依据。

　　### 人工礁体设计中的波浪消能与水流调控机制分析

在面对日益严重的海岸侵蚀与洪水威胁时，人工礁体作为一种兼具生态修复与海岸保护功能的工程结构，逐渐成为沿海工程领域的重要研究方向。这些威胁源于全球海平面上升、风暴频率与强度增加等气候变化因素，同时也伴随着沿海生态系统受到污染、自然栖息地丧失和过度捕捞等多重压力。传统的硬工程结构，如海堤、防波堤和护岸墙，虽然在防护方面具有一定的效果，但它们往往忽视了对生态系统的修复功能，甚至可能对自然海岸环境造成负面影响。因此，研究如何优化人工礁体设计，使其既能有效减弱波浪能量，又能促进生态系统的恢复，成为当前工程与生态研究的热点问题。

人工礁体的设计通常模仿自然礁体的某些特性，如透水性、内部结构和表面粗糙度，但其开孔率（opening ratio）往往显著高于自然礁体。开孔率的调整对人工礁体的波浪消能和水流调控具有重要影响，因此，研究开孔率与人工礁体阵列间距对波浪消能和水流变化的综合影响，对于优化人工礁体设计具有重要意义。本文通过实验与数值模拟相结合的方法，探讨了人工礁体开孔率与阵列间距对波浪消能机制及水流场的影响，为人工礁体在实际工程中的应用提供了理论支持。

#### 人工礁体的波浪消能机制

人工礁体的波浪消能主要依赖于其结构对水流的干扰作用。实验结果表明，当开孔率处于适中偏小的范围时，人工礁体能够实现较高的波浪消能率，同时在结构后方形成大面积且稳定的低流速区域。这种结构设计不仅有助于减缓水流速度，还能增强水流中的湍流强度，从而促进水体混合与营养物质的交换。然而，当开孔率过低时，波浪的反射效应可能占据主导地位，从而削弱其消能效果。另一方面，过高的开孔率会导致水流阻力减小，无法形成有效的涡旋结构，进而降低波浪消能效率。

在人工礁体阵列的间距选择上，研究发现存在一个最佳的波浪消能间距。当阵列间距小于结构特征尺寸（d/D < 1）时，过高的水流阻力会导致涡旋强度增加，从而削弱波浪消能效果。相反，当阵列间距大于等于3倍结构特征尺寸（d/D ≥ 3）时，结构之间的协同效应减弱，导致整体波浪消能效果下降。这表明，人工礁体的阵列设计需要在结构间距与波浪消能之间取得平衡。

此外，人工礁体阵列在满足布拉格共振反射条件（Bragg resonance condition）时，能够显著增强波浪反射能力。然而，波浪消能并不主要依赖于反射作用，反射仅占较小比例。因此，人工礁体的波浪消能机制主要依赖于其内部结构与水流之间的相互作用，包括涡旋生成、水流分离和湍流损失等复杂过程。

#### 人工礁体的水流调控效果

人工礁体对水流的调控效果主要体现在其后方形成的低流速区和涡旋结构上。实验数据显示，当开孔率适中偏小时，人工礁体能够形成稳定的低流速区，同时促进涡旋的生成，从而增强水流的混合效应。这种水流调控不仅有助于改善水质，还能促进营养物质的循环，为海洋生物提供更适宜的生存环境。然而，当开孔率过高时，水流在结构后方的流动趋于均匀，涡旋结构减少，水流调控效果显著下降。

在人工礁体阵列中，结构之间的间距对水流场的分布具有重要影响。当阵列间距适中（d/D = 2–2.5）时，水流场在结构之间形成稳定的涡旋系统，从而实现高效的波浪能量转化。然而，当阵列间距过小（d/D < 1）时，水流在结构之间的相互作用受限，涡旋生成受阻，导致水流调控效果不佳。相反，当阵列间距过大（d/D ≥ 3）时，结构之间的水流场趋于独立，协同效应减弱，水流调控效果也随之下降。

#### 人工礁体的生态效应

人工礁体的生态效应主要体现在其对水流的调控能力上。通过促进水流的混合与营养物质的循环，人工礁体能够改善水质，提高海洋生物的多样性，并为鱼类提供更适宜的栖息环境。研究中采用的性能指数（I_a）可以用来评估人工礁体对水流场的调控效果，其值随着阵列间距的增加而呈线性增长，尤其是在低流速条件下，人工礁体的生态效应更加显著。

#### 人工礁体的波浪消能预测模型

为了更有效地评估人工礁体的波浪消能能力，研究提出了一种基于实验数据的波浪消能预测模型。该模型考虑了结构间距对波浪消能的影响，能够更准确地预测人工礁体的波浪消能效果。通过与现有预测模型的对比分析，研究发现，传统的模型在考虑结构间距时存在一定的局限性，无法全面反映人工礁体阵列的波浪消能机制。因此，新的预测模型在实际应用中具有更高的可靠性与实用性。

#### 实验与数值模拟的结合

实验与数值模拟的结合为人工礁体的波浪消能与水流调控机制研究提供了重要的支持。实验数据为模型的验证提供了依据，而数值模拟则能够更全面地揭示人工礁体在不同条件下的流场分布与涡旋生成过程。通过对比实验数据与模拟结果，研究确认了模型的准确性，同时也为人工礁体的设计优化提供了科学依据。

#### 结论与建议

综上所述，人工礁体的开孔率与阵列间距对波浪消能和水流调控具有重要影响。适中的开孔率能够形成有效的涡旋结构，增强波浪消能能力，同时在结构后方形成稳定的低流速区，有利于生态系统的恢复。而阵列间距的选择则需要在波浪消能与水流调控之间取得平衡，过小或过大的间距都会影响人工礁体的整体性能。

在未来的人工礁体设计中，应充分考虑开孔率与阵列间距的优化，以实现最佳的波浪消能与水流调控效果。同时，应关注布拉格共振现象的发生，根据具体工程需求，采取相应的措施以最大化其应用价值。此外，研究还指出，实验与数值模拟的结合是未来人工礁体研究的重要趋势，能够更全面地揭示其复杂的流场变化与生态效应。

综上所述，本文通过实验与数值模拟相结合的方法，深入探讨了人工礁体开孔率与阵列间距对波浪消能与水流调控的影响，为人工礁体的设计与优化提供了科学依据，同时也为未来相关研究奠定了基础。