水下多孔防波堤在墙边界域和无界域中波浪散射的对比研究

《Scientific Reports》：A comparative study of wave scattering by a submerged porous breakwater in wall-bounded and unbounded domains

　　

摘要

波在多孔结构上的散射对海岸和近海防护结构的设计起着重要作用。本研究探讨了水波在有限多孔区域上的散射问题，主要目标包括：(a) 比较两种场景下的水动力学行为：有刚性壁边界和无边界的场景；(b) 通过比较两种阻力系数模型——一种包含湍流项，另一种忽略湍流项——来考察湍流的影响；(c) 分析每种场景和模型下不同物理参数的水动力学系数。阻力系数模型通过纳入层流项、惯性项和湍流项来建立，并采用本征函数展开法求解水动力学系数。数值结果表明，引入湍流效应可显著增加能量耗散并降低净波浪荷载，在低频段以及孔隙率较低的结构性别中尤为明显。本研究提出了一种多孔结构上波浪散射的数学方法，为未来非线性模型提供了基础。除数学贡献外，本分析还为多孔结构在不同海岸工程配置中的实际性能提供了指导。具体而言，研究结果为两种常见的设计场景提供了实用指导：一是将附着于码头或海堤的防波堤所受波浪荷载降至最低；二是使由粗颗粒、高渗透材料建造的近海独立式防波堤实现最大的消波效果并为海岸提供保护。