基于MPM-SDEM耦合方法的孤立波生成与海堤相互作用高精度模拟研究

为解决孤立波与海堤相互作用模拟中面临的大自由表面变形和复杂流固耦合难题，研究人员创新性地开发了Material Point Method (MPM)与Spheropolygon Discrete Element Method (SDEM)耦合框架。该研究通过弹性缓冲模型实现动态动量交换，验证了模型在孤立波传播、爬高及冲击载荷预测方面的准确性，为海岸工程防灾设计提供了高精度数值工具。

　　

海岸工程领域长期面临极端波浪灾害的严峻挑战。以2011年日本东北海啸为例，其造成的1.8万人死亡警示着准确预测波浪-结构相互作用的紧迫性。传统实验研究存在成本高、尺度效应等问题，而现有数值方法如SPH（光滑粒子流体动力学）在边界处理、计算效率方面存在局限。尤其当孤立波（模拟海啸的典型波形）遭遇海堤时，剧烈的自由表面变形和复杂流固耦合(FSI)现象使得数值模拟精度难以保证。

杭州电子科技大学（Hangzhou Dianzi University）的研究团队在《Ocean Engineering》发表的研究中，开创性地将材料点法(MPM)与球多边形离散元法(SDEM)耦合，建立了新型数值仿真框架。该研究通过弹性缓冲模型处理MPM流体粒子与SDEM结构粒子间的碰撞力，实现了动量交换的动态模拟。验证表明，该方法能精确捕捉波浪传播速度（误差<3%）、爬高高度等关键参数，并首次系统揭示了不同坡度下波浪破碎、反射与载荷演变的关联规律。

关键技术包括：1）基于Goring公式的DEM驱动波浪生成技术，避免传统内部造波法的计算负担；2）MPM双离散体系（背景网格+移动粒子）处理大变形；3）SDEM精确表征复杂结构几何；4）弹性缓冲耦合算法实现动态相互作用。研究建立了4类基准验证案例，涵盖平底水槽传播、垂直墙爬高等典型场景。

孤立波与斜坡地形及海堤相互作用
通过改变坡度参数s（1:10至1:30），发现较陡坡度（1:10）导致波浪提前破碎，使最大冲击载荷降低23%，但伴随更强的反射波。MPM-SDEM成功捕捉到液压跃变现象，揭示了坡度为1:15时波浪能量耗散最显著的规律。

结论与意义
该耦合框架突破了传统方法在自由表面追踪和边界处理上的瓶颈，其创新性体现在：1）首次实现DEM直接驱动流体域造波；2）建立通用型波浪-结构相互作用求解器；3）量化了坡度参数对防护结构受力的影响规律。研究成果为海岸工程防灾设计提供了高精度数值实验平台，尤其对亚洲频发海啸地区的防护结构优化具有重要指导价值。研究数据已通过ComFluSoM开源库共享，推动相关领域方法学发展。