梯度孔隙率分布多排桩防波堤的声子晶体启发式波浪调控设计

《Journal of Marine Science and Engineering》：Phononic-Crystal-Inspired Design of a Gradient-Porosity Multi-Row Pile Breakwater for Enhanced Wave Attenuation

　　

受声子晶体（phononic crystals）与空间梯度波控概念启发，研究人员提出一种梯度孔隙率分布多排桩防波堤（gradient-porosity distributed multi-row pile breakwater, GPDMPB），其孔隙率P沿波浪传播方向由0.30逐级递减至0.10。研究人员基于OpenFOAM与OlaFlow建立三维数值波浪水槽，评估不同孔隙率分布、桩排间距及波陡条件下的反射、透射与能量耗散特性。在所考察的规则波条件下，相较于所对比的传统透水防波堤，GPDMPB具有更低的反射系数Cr与透射系数Ct，以及更高的能量耗散系数Cd；传统构型的Cr与Ct分别为GPDMPB的1.16–2.94倍与1.16–3.01倍，而其Cd仅达GPDMPB的0.35–0.87倍。在与总阻塞率相同的均匀孔隙率阵列（P=0.20）对比中，GPDMPB透射更低、能量耗散更高，反射则总体更低或相当。流场结果显示，波浪经逐排桩阵发生连续绕流收缩、分离与再循环，体现为分布式波–结构相互作用下的渐进衰减。桩排间距主要影响反射，波陡增大则使反射与透射上升、耗散下降。结果表明，该空间梯度构型在所研规则波条件下可改善多排桩防波堤的波浪衰减性能。

研究背景与问题提出

表面水波与弹性波、声波在人工结构化介质中的传播调控具有深刻类比。声子晶体（phononic crystals, 周期性散射单元构成的人造介质）通过多重散射与布拉格型干涉产生频率依赖的传输特性；将空间梯度引入几何或等效属性，可进一步实现波行为的渐变控制。已有研究证明，垂直圆柱周期阵列可表现类似带结构与局域共振效应，而梯度排列能重新分配水波能量。工程上，透水与桩基防波堤虽可维持水体交换，但存在固有矛盾：提高阻挡能力会增大反射，增大透水率则牺牲透射抑制。既有改进多依赖曲面、穿孔构件、复合填充等复杂附加部件，而对简单多排桩阵列自身孔隙率空间分布的研究相对有限。为此，研究人员提出声子晶体启示下的梯度孔隙率多排桩防波堤，旨在以最简构件实现反射、透射与耗散的协同优化。

研究开展与核心结论

研究人员设计由五排桩组成的GPDMPB，沿波向孔隙率依次为P₁=0.30、P₂=0.25、P₃=0.20、P₄=0.15、P₅=0.10，上游间隙宽、下游间隙窄，使波–结构相互作用逐排分布。基于计算流体力学（CFD, computational fluid dynamics）数值实验，对比传统透水防波堤、均匀孔隙率阵列及不同桩排间距与波陡工况。结果表明：梯度构型在规则波条件下兼顾低反射、低透射与高耗散；相同总阻塞率下优于均匀P=0.20阵列；流场中逐排绕流收缩、分离与再循环是衰减的物理载体。该研究为桩基防波堤提供了一条仅靠空间梯度布置即可提升消波性能的设计路径。

主要关键技术方法

研究人员采用OpenFOAM 2112耦合OlaFlow工具箱建立三维数值波浪水槽，求解不可压缩雷诺平均纳维–斯托克斯方程（RANS, Reynolds-averaged Navier–Stokes）并结合流体体积法（VOF, volume-of-fluid）捕捉自由液面；湍流封闭采用浮力修正的k–ε模型以抑制自由面伪湍流。网格收敛分析选取M2分辨率，并在桩周局部加密；入射与反射波分量由Goda双点分解法提取，反射系数C_r、透射系数C_t与能量耗散系数C_d据波高定义计算。模型以矩形桩头防波堤（RPHB, rectangular pile-head breakwater）试验标定，验证透射与反射预测合理性。参数研究覆盖孔隙率分布、桩排间距参数a=2/3/4及波高H=0.08/0.10/0.12 m构成的波陡变化。

研究结果

4.1 与传统透水防波堤对比

通过前侧与后侧波面过程线及系数对比研究发现，GPDMPB在后侧波幅显著更低；传统构型C_r为其1.16–2.94倍、C_t为1.16–3.01倍，C_d仅0.35–0.87倍，证明梯度桩阵消波更优。

4.2 孔隙率分布影响

对比梯度与均匀P=0.30/0.20/0.10阵列发现：均匀高孔隙反射低但透射高，均匀低孔隙透射低但反射高；GPDMPB在总阻塞率同于P=0.20时透射更低、耗散更高。流场显示首排较宽间隙削弱迎面回流，后续逐排收紧增强扰动，说明空间布置本身改变水动力响应。

4.3 桩排间距影响

保持梯度不变、取a=2/3/4研究发现：反射随间距非单调变化且具波周期依赖性，透射对间距较不敏感，耗散总体维持高位。间距增大会扩大纵向占地，故应结合波况与 footprint 权衡。

4.4 波陡影响

在T固定、H递增导致H/L增大工况下研究发现：波陡升高使C_r与C_t上升、C_d下降；高波况下迎面回流与间隙加速更强，梯度阵仍衰减但相对效率降低。

讨论与结论翻译

讨论指出，梯度孔隙率将波–结构作用分布于逐排桩行，以绕流收缩、分离与再循环实现渐进消能，而非依赖附加复杂构件。结论如下：研究人员提出并数值研究了孔隙率沿波向递减的GPDMPB。在所考察条件下，相较传统透水防波堤，梯度构型具有更低反射与透射系数及更高能量耗散系数；相较同总阻塞均匀P=0.20阵列，其透射更低、反射更低或相当、耗散更高，表明空间孔隙率布置本身影响有限桩阵水动力响应。桩排间距影响具波周期依赖性，反射对非均匀敏感、透射较不敏感。波陡增大会抬高反射与透射、削弱耗散。流场特征与系数变化一致。总体而言，逐级孔隙率梯度可在所研规则波条件下改善多排桩防波堤反射–透射平衡；后续需物理模型与不规则波试验拓展适用边界。