【论文推荐】| 水波中新型防波堤内亥姆霍兹共振的模拟研究

论文导读与观点概要

一、研究背景与目的

随着海洋经济的发展，波浪对海洋工程结构物的破坏成为亟待解决的关键问题。受声学亥姆霍兹共鸣器的启发，将亥姆霍兹共振原理引入水波领域设计新型防波堤，已成为提升消波能力的有效手段。本研究旨在基于势流理论和时域高阶边界元方法，建立二维完全非线性数值模型，深入探究两类新型防波堤——普通亥姆霍兹防波堤（模型C）与离岸式亥姆霍兹型振荡水柱（H-OWC）防波堤（模型B）的水动力性能。研究重点在于验证数值模型捕捉亥姆霍兹共振的准确性，并分析开口长度、吃水、腔体宽度及模型总长度等关键参数对共振频率及消波效果的影响，同时利用布洛赫能带理论预测共振频带，为新型防波堤的优化设计提供理论依据。

二、研究方法

三、主要结果

四、结论

通过数值模拟对新型防波堤的亥姆霍兹共振问题进行了深入研究。基于势流理论和高阶边界元方法，建立了二维完全非线性数值模型，并在防波堤前一定区域和气室内水面边界处引入人工黏性阻尼系数，以模拟波浪与防波堤的相互作用。进行了网格收敛性分析，并通过与已发表的模型B和模型C试验结果进行对比，验证了数值模型的准确性。通过设计4组工况，结合布洛赫能带理论，分析了模型C不同开口长度、吃水、腔体宽度和模型总长度的影响，并与模型A和模型B进行对比，得到以下结论：

亥姆霍兹共振不同于布拉格共振，可以发生在单个结构中。给定周期长度方法，适用于无限均匀阵列的布洛赫能带理论，可以很好地预测单个结构中亥姆霍兹共振发生的波浪频率范围，为设计相应的防波堤提供参考。

由于文中只通过布洛赫能带理论预测模型C的共振带，并未对模型B的共振带进行预测，其设计参数可能导致共振频率与入射波频率范围错开，在文中工况并未发现明显的共振现象。透射系数随kh减小而增大。但模型B可以吸收波能，降低波浪的反射和透射，在不同模型参数工况下反射系数和透射系数均低于模型A。在共振频率附近，模型C的透射系数均小于模型A和模型B，拥有更好的消波效果。在低于共振主频的频率范围内，模型C失去消波能力，导致透射系数显著增加，可以通过与模型B或其他防波堤结合提升共振区域外的消波能力；或者利用彩虹陷波^［40-41］扩大共振带宽。

随着开口长度的减小和吃水的加深以及腔体宽度的增大，亥姆霍兹共振频率向低频移动。其中吃水的加深，提高了波浪进入腔体内部的难度，从而减小共振发生的频率范围；腔体宽度的增大，除了原先能够发生共振的频率范围外，还使得结构能够响应更低频的波浪，从而扩大了共振发生的频率范围；而模型总长度的改变不影响共振频率，只会改变其自身的挡水效果，模型总长度增大，波浪的透射减小，但是这种提升十分有限。

相关图表

本文引用格式：张煜航, 徐进, 宁德志. 水波中新型防波堤内亥姆霍兹共振的模拟研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(3): 110-123.  (ZHANG Yuhang, XU Jin, NING Dezhi. Numerical investigation on Helmholtz resonance within a novel breakwater in water waves[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(3): 110-123.  (in Chinese)）

通信作者简介：宁德志   

宁德志，教授、博士生导师。现担任海岸与海洋工程全国重点实验室主任、辽宁省海洋产业技术创新研究院副院长，主要从事海洋工程水动力学及海洋可再生能源转化方面的研究工作。

国家优秀青年基金获得者、辽宁省优秀科技工作者、Elsevier中国高被引学者和斯坦福全球前2%顶级科学家，入选国家高层次人才、教育部新世纪优秀人才计划、辽宁省“百千万人才工程”百层次、辽宁省“兴辽英才计划”科技创新领军人才、辽宁省首届优秀研究生导师、大连理工大学“星海学者”杰青层次等。兼任国际期刊《Proceedings of the Institution of Civil Engineering - Maritime Engineering》、《Journal of Hydrodynamics》、 《China Ocean Engineering》、《Frontiers in Energy Research》等副主编、《Ocean Engineering》、《Applied Ocean Research》、《Oceans》和《Journal of Marine Science and Application》等编委，国际离岸和极地工程师协会（ISOPE）技术委员会委员、亚太地区近海工程会议常务委员、中国可再生能源学会海洋能专委会副主任委员，中国长江三峡集团科学技术委员会新能源专委，中英海洋能合作研讨会（2015）、32nd IWWWFB（2017）、14th PACOMS（2020）、8th CoastLab（2020）、JCCME（2024）等国际学术会议主席。

主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、教育部、辽宁省科技厅、英国皇家工程院等科研项目30余项。发表学术论文被SCI收录200余篇，Google Scholar引用6500余次。获海洋工程科学技术奖一、二等奖各二项、教育部自然科学二等奖二项、亚太近海工程会议突出贡献奖一项。

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