基于SPH方法的孤立波诱发结构物周围冲刷数值模拟与实验验证

本研究针对海啸孤立波诱发海岸结构物周围冲刷的预测难题，采用基于光滑粒子流体动力学(SPH)的DualSPHysics开源工具，结合Herschel-Bulkley-Papanastasiou(HBP)流变模型，通过实验室实验与文献数据双重验证，首次实现了方形结构物角部与中心面冲刷深度的精准预测，为海岸工程抗灾设计提供了创新性数值分析方法。

　　

海岸工程领域长期面临海啸诱发结构物基础冲刷的预测难题。历史灾害事件如1960年智利海啸、2011年日本海啸均显示，结构物周围冲刷深度可达10米，是导致海岸防护设施失效的主因。传统有限元方法在模拟大变形自由表面流时存在网格畸变问题，而光滑粒子流体动力学(SPH)方法因其无网格特性，在模拟流体-结构相互作用方面展现出独特优势。

智利圣玛丽亚康塞普西翁天主教大学联合研究团队在《Ocean Engineering》发表研究，创新性地将Herschel-Bulkley-Papanastasiou(HBP)流变模型与SPH方法耦合，通过自主设计的孤立波水槽实验和文献中的堤坝溃决实验双重验证，首次实现了方形结构物周围冲刷形态的精准预测。研究发现结构物角部冲刷深度显著大于中心面，该结论与McGovern等多位学者的现场观测结果高度吻合。

研究采用三大关键技术：(1)基于DualSPHysics开源平台的SPH数值模拟，处理自由表面流动与结构物相互作用；(2)HBP非牛顿流变模型刻画沉积物剪切稀化特性；(3)智利海岸典型地形特征的实验室尺度物理模型验证。实验在UCSC水力学实验室完成，使用高精度激光扫描仪测量冲刷地形。

【结果部分】

1. 模型验证：数值结果与Jayaratne等(2016)的堤坝溃决实验数据误差<8%，验证了SPH-HBP耦合模型在冲刷预测中的可靠性。
2. 冲刷形态：实验显示最大冲刷深度出现在结构物迎浪侧角部，较中心面深23%，数值模拟成功复现了这一特征性分布。
3. 流场分析：SPH粒子追踪揭示了二次涡流对角部冲刷的强化机制，解释了现场观测中结构物角部优先破坏的现象。

【结论与意义】
该研究建立了首个能同时预测冲刷深度与形态的SPH-HBP耦合模型，突破传统RANS方法在瞬态冲刷模拟中的局限。通过引入HBP流变参数(屈服应力τ_y
、稠度系数K)，模型可准确反映智利海岸典型砂质沉积物的非牛顿特性。研究不仅为海岸防护工程设计提供量化工具，其提出的"角部冲刷强化系数"更被纳入智利海岸工程规范修订草案。未来研究将扩展至不规则波列与复合结构物场景，进一步提升海啸灾害预测能力。