基于全解析DEM-CFD耦合方法的波浪-护面块体相互作用数值模拟研究

本研究针对防波堤护面层稳定性评估难题，开发了全解析DEM-CFD耦合数值方法，通过离散元法(DEM)与计算流体力学(CFD)的实时交互，实现了复杂形状护面块体（如四脚空心方块）在波浪作用下的运动精确模拟。实验验证表明该方法能有效预测波浪荷载与多体接触效应，为海岸工程结构设计提供了创新工具。

　　

防波堤作为海岸防护的重要屏障，其护面层的稳定性直接关系到整个结构的耐久性。传统设计依赖半经验公式和物理模型试验，但难以精确模拟数千个异形护面块体（如四脚空心方块）在极端波浪下的复杂相互作用。历史上葡萄牙Sines（1978年）、阿尔及利亚Arzew El Djedid（1980年）等重大溃堤事故，凸显了现有方法的局限性。虽然近年出现了SPH-DEM（光滑粒子流体动力学-离散元法）等耦合技术，但计算精度与复杂形状建模仍是瓶颈。

为此，法国电力集团（EDF R&D）与IMFT联合团队在《Ocean Engineering》发表研究，提出基于离散强迫法的全解析DEM-CFD耦合新方法。该方法通过neptune_cfd（多流体欧拉-欧拉求解器）与Grains3D（非凸体DEM代码）的实时交互，首次实现了流体运动与异形块体接触的同步高精度求解。关键技术包括：1）采用离散强迫法处理流体-固体界面；2）并行计算架构支持大规模三维模拟；3）通过固定球体阵列波浪试验验证流体求解器精度；4）以1:50比例复现孤立波冲击四脚空心方块的实验场景。

数值建模
研究采用Grains3D DEM代码处理非凸体接触力学，neptune_cfd通过离散强迫法（类似浸没边界法）解析流体运动。耦合过程中，流体求解器计算固体受力并传递至DEM，后者综合接触力与重力更新位姿后反馈至CFD，形成闭环。

理想化防波堤波浪力评估
通过波浪水槽实验与模拟对比，验证CFD求解器对斜坡上固定球体阵列的波浪冲击力预测能力。结果显示该方法可准确捕捉破碎波与非破碎波的荷载特征，为后续多体耦合奠定基础。

孤立波冲击四脚空心方块
复现Mitsui等（2023）实验场景，模拟孤立波冲击15个7.7cm高四脚空心方块的过程。研究发现初始排列方式与摩擦系数显著影响块体位移模式，证实该方法能捕捉多体系统的敏感参数。

该研究标志着海岸工程数值模拟的重要突破：1）首次实现全解析尺度下异形护面块体的运动预测；2）揭示初始布置与摩擦参数对稳定性的关键影响；3）为新型护面结构设计提供高保真工具。联合团队指出，未来可扩展至实际三维堤防结构模拟，推动从经验设计向预测性工程的范式转变。