风浪耦合作用下珊瑚礁坪孤立波与直立墙相互作用的数值模拟研究

本研究针对强风与极端波浪协同作用下珊瑚礁工程结构安全问题，基于OpenFOAM建立高分辨率数值模型，揭示了风速对孤立波与直立墙相互作用过程中涡旋运动、波反射衰减及越浪量的影响规律，发现高风速可使最大水平力显著增加、越浪体积达无风时的1.23-4.11倍（U?=4），为珊瑚礁防护工程设计提供了理论依据。

　　

珊瑚礁生态系统作为天然的海洋屏障，在抵御风暴潮和海啸等极端事件中发挥着关键作用。然而随着气候变化加剧，强风与极端波浪的协同作用正对礁坪工程结构构成前所未有的威胁。尤其当类似海啸前导波的孤立波（solitary wave）撞击垂直防波堤时，传统研究往往忽略风场的影响，导致工程防护设计存在潜在风险。这一科学盲区引起了研究人员的关注——在真实海洋环境中，强风会通过空气-海界面能量交换显著改变波浪动力学特性，但现有文献对珊瑚礁地形下风-波-结构耦合作用机制的研究几乎空白。

针对这一挑战，湖南大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表了一项创新性研究。他们基于开源计算流体力学平台OpenFOAM构建了高精度两相流模型，首次系统研究了不同风速条件下孤立波与礁坪直立墙的相互作用机制。研究采用雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）结合流体体积法（VOF）捕捉气液界面，通过人工压缩项实现风场模拟，并利用Smagorinsky湍流模型解析小尺度涡旋。验证实验选取Roeber（2010）的物理模型数据，通过网格敏感性分析确保计算精度。

研究结果揭示了多项重要发现：

1. 涡旋运动增强：风场显著促进了孤立波撞击直立墙时产生的涡旋运动（vortex motion），同时削弱了波反射效应。
2. 荷载特性变化：低风速时最大水平力较无风工况略有降低，而高风速（U?=4）下最大水平力激增；墙顶最大垂直力则随风速呈单调增长趋势。
3. 越浪过程提前：风作用使越浪初始时间较无风条件明显提前，且最大累积越浪体积可达无风时的1.23-4.11倍。

在讨论部分，作者指出该研究首次量化了珊瑚礁地形下风-波-结构三者的非线性相互作用：强风通过改变波面形态（wave profile distortion）和能量传递路径，不仅加剧了结构荷载的脉动特性，还通过液滴飞溅机制（droplet splashing）显著提升越浪风险。这些发现突破了传统仅考虑波浪作用的设计范式，为礁坪防护工程提供了风速-荷载-越浪量的定量关系。

这项研究的创新价值体现在三方面：首先，建立了适用于复杂礁坪地形的风浪耦合数值模型；其次，发现了风速对波生涡旋的强化效应与荷载放大规律；最后，提出的越浪量预测公式可直接服务于工程实践。正如作者强调的，在台风频发的南海礁盘建设中，该成果对优化防波堤抗风浪设计标准具有重要指导意义。