海啸涌浪对弹性直立板冲击效应的二维数值模拟研究

本研究针对气候变化下海岸带柔性防护需求，采用solids4Foam求解器结合k-ε湍流模型，首次系统模拟了溃坝波（模拟海啸涌浪）与弹性直立板的流固耦合(FSI)作用。通过验证实验数据发现：板的最大变形滞后于波峰力，降低杨氏模量或增加板高会显著增大位移，而5 mm薄板因上游水面降低导致受力锐减。成果为生态友好型海岸防护设计提供了关键参数依据。

　　

随着全球气候变化加剧，海岸带正面临日益严重的风暴潮和极端降雨威胁。传统刚性防护结构虽能短期减灾，却会破坏生态平衡且维护成本高昂。台湾地区科技部资助的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，创新性地将弹性屏障引入海岸防护体系，通过数值模拟揭示了柔性结构抵御海啸涌浪的动态机制。

研究采用开源平台OpenFOAM的solids4Foam工具箱，运用分区求解策略分别处理流体域（CFD）与固体域（CSM）。流体部分基于有限体积法(FVM)求解RANS方程，结合k-ε湍流模型和VOF方法捕捉自由液面；固体域通过有限元法(FEM)计算板变形。模型首先复现了Allo等（2024）的橡胶板溃坝实验，随后系统考察了杨氏模量（9-144 MPa）、板厚（5-20 mm）和高度（10-20 cm）对水力特性的影响。

Model validation
通过18米二维水槽实验验证显示，数值模型能准确预测10 cm高橡胶板的位移时序曲线，最大误差控制在8%以内。流场可视化再现了板体变形引发的涡旋演化过程，证实了k-ε模型对分离流的捕捉能力。

Conclusion
研究发现三个关键规律：1）波峰力与最大水面升高存在相位差，力峰值先于最大变形出现；2）降低杨氏模量使位移增加40%但力变化不足5%，因其通过大变形缓解冲击而非改变上游水位；3）5 mm薄板因显著降低水面高程，使冲击力较20 mm板下降达35%。特别值得注意的是，增加板高会同步提升水面升高幅度和结构受力，这对实际工程中的高度设计具有重要指导意义。

该研究首次量化了弹性屏障在溃坝波（模拟海啸涌浪）作用下的动态响应规律，突破了传统刚性结构研究的局限。成果不仅为生态友好型海岸防护提供了设计参数优化方法，其建立的FSI数值框架还可推广至浮式防波堤、弹性植被等柔性防护设施的效能评估。研究团队特别指出，未来需结合三维模型考察侧向约束效应，并建议通过复合材料设计实现刚度梯级分布，以兼顾防护效能与生态可持续性。