孔隙式半球形人工珊瑚礁对海啸型波浪水动力影响的实验与数值研究

　　本研究通过实验与数值模拟，揭示了孔隙式半球形人工珊瑚礁对岸礁海啸型波浪变形的关键水动力机制。结果表明，人工礁群可增强波浪反射（reflection），通过复杂涡旋结构（vortex structures）耗散波能，使最大爬高（runup height）平均降低5.6%，为珊瑚礁生态修复与海岸防护（coastal protection）提供科学依据。

　　

研究背景

珊瑚礁作为一种天然防御措施，在过去的实际海啸事件中已被证实（Papadopoulos et al., 2006; Mcadoo et al., 2011）。前礁斜坡（forereef slope）的波浪变形、礁缘（reef edge）的波浪破碎以及礁坪（reef flat）上不断破碎的涌浪（surge bores）产生的底部摩擦力（bottom friction forces）均可显著降低大部分入射波能量（Ferrario et al., 2014）。过去几十年间，珊瑚礁的地貌特征（geomorphologic features）发生了显著改变……

实验设置

为揭示孔隙式半球形人工礁对岸礁海啸型波浪（tsunami-like waves）变形的流体动力学影响，在长沙理工大学水利与海洋工程学院的长45米、宽0.8米、高1米的水槽中开展了一系列1:40比例的物理实验。实验布置如图1所示。礁体模型由复合前礁斜坡、后礁斜坡和礁坪组成。礁体表面……

波浪水动力

本节分析了给定H₀=0.08米、h_r=0.025米时，孔隙式半球形人工礁群对岸礁海啸型波浪变形的流体动力学影响。图4展示了不同时刻的水面剖面（water profiles）。在波浪破碎发生前，孔隙礁群的存在仅对海啸型波浪的传播和变形具有轻微的流体动力学影响（图4a和e）。当波峰到达孔隙礁群时……

数值分析

在后续章节中，基于高分辨率模拟数据，对波浪诱导流（wave-induced flow）与多孔礁结构之间的复杂相互作用进行了详细分析。本研究采用开源数值流求解器包OpenFOAM^?。波浪诱导流与多孔礁结构之间的复杂相互作用可通过三维非稳态两相不可压缩流（three-dimensional unsteady two-phase incompressible flow）来描述，其控制方程为：

?·u=0

?(ρu)/?t + ?·(ρuu) ? ?·(μ_eff?u) = ??p^? ? g·x?ρ + ?u·?μ_eff

简短讨论

本研究主要考察了半球形多孔人工礁布置对珊瑚礁海啸型波浪演化特性的流体动力学影响。研究重点系统分析了波浪破碎特征、反射行为、波高的空间变化以及海啸型波浪的最大波浪爬高（maximum wave run-up）。然而，本研究未考虑涌浪（swell waves）和风浪（wind waves）的影响。目前，人工礁的应用……

结论

本研究通过实验和数值模拟，分析了孔隙式半球形人工礁对岸礁海啸型波浪变形的流体动力学影响。详细研究了波高、水深和人工礁孔隙率（porosity）对海啸型波浪流体动力学的效应。主要研究发现总结如下：(1) 多孔礁群的存在可重塑岸礁的局部地形……