基于亥姆霍兹共振原理的浮式防波堤阵列水动力性能实验研究

【编辑推荐】针对传统浮式防波堤(FB)在中长周期波浪衰减中的局限性，大连理工大学团队通过实验研究了亥姆霍兹型FB阵列的水动力性能。研究结合Bloch能带理论预测共振频带，揭示了亥姆霍兹共振(Helmholtz resonance)机制，发现其可在单结构中实现低频波浪耗散，最大耗散系数达共振频带内。优化开口宽度、吃水深度及阵列数量可调控共振频率与强度，组合不同开口宽度的模型可拓宽频带并提升整体性能，为深海工程提供新思路。

　　

海洋工程领域长期面临传统浮式防波堤(Floating Breakwater, FB)在中长周期波浪中衰减效率低下的难题。随着深海资源开发需求增长，如何设计兼具生态友好性与高效波浪耗散能力的结构成为研究热点。传统箱型FB虽结构简单，但其单一结构对长周期波浪(kh值低)的衰减效果有限，极端海况下性能进一步下降。近年来，学者们尝试通过结合 submerged breakwater（潜堤）或 wave energy converter（波浪能转换装置）等优化设计，但性能提升仍受制于物理机制瓶颈。

大连理工大学团队受声学亥姆霍兹共振器(Helmholtz Resonator, HR)启发，将这一概念拓展至水波领域，提出基于亥姆霍兹共振的浮式防波堤阵列。亥姆霍兹共振以腔体-狭颈结构为特征，可通过调整几何参数选择性吸收特定频率能量，此前在声学降噪中广泛应用。团队通过物理模型实验与Bloch能带理论(Bloch Band Theory)结合，系统研究了阵列的共振机制与参数影响，成果发表于《Ocean Engineering》。

研究采用波浪水槽实验结合理论分析，关键方法包括：1) 设计亥姆霍兹型FB模型（开口宽度b=0.03-0.10 m）与对照组；2) 应用Bloch能带理论预测共振频带；3) 测量透射/反射系数评估波浪耗散性能；4) 分析几何参数（开口宽度、吃水深度、阵列数量）对共振频率与强度的影响。

Helmholtz共振机制
实验发现，亥姆霍兹共振不同于布拉格共振(Bragg resonance)，可在单结构中激发低频共振。当共振发生时，FB腔体内辐射波与入射波相互作用导致能量耗散，最大耗散系数出现在共振频带内。Bloch理论计算的禁带与实验结果高度吻合，验证了理论预测的准确性。

几何参数影响

• 开口宽度：减小开口宽度（如从B3-b=0.10 m降至B1-b=0.03 m）使共振频率向低频移动，但共振强度减弱。
• 吃水深度：增加吃水深度同样降低共振频率，但削弱共振效应。
• 阵列数量：增加阵列单元数（如从1个增至5个）可增强共振强度并提升衰减性能，但改善速率随数量增加递减。

组合结构优化
将不同开口宽度的模型组合（如B1+B2+B3）并优化排列顺序（大开口前置），可拓宽共振频带。例如，B1→B2→B3序列较单一结构频带扩展35%，整体衰减性能提升22%。

该研究首次将亥姆霍兹共振原理系统应用于浮式防波堤阵列设计，突破了传统FB在中长周期波浪中的性能瓶颈。通过理论预测与实验验证，明确了共振机制与参数调控规律，为深海工程提供了可定制化、低环境影响的解决方案。未来可结合智能材料或主动控制技术进一步优化动态响应，推动浮式防波堤在极端海况与多场景中的应用。