【论文推荐】| 中长周期波作用下斜坡堤表面压力分布特性的SPH数值模拟研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

随着“海上丝绸之路”倡议的深入推进，我国海洋工程建设的步伐逐渐向孟加拉湾、西非几内亚湾及印尼ADIPALA海域等深远海区域延伸。这些海域的波浪特征显著区别于我国近海，其波浪周期通常处于1 044 s的中长周期范围。相较于传统的短周期波（T<10 s），中长周期波浪具有波长长、波速大、携带能量高等显著特征，极易对防波堤护面块体造成失稳破坏。然而，现行工程设计规范（如Neelamani方法）多基于短周期波浪试验得出，在中长周期波条件下的适用性存在明显不足，容易导致波浪力计算出现高估或低估的偏差。针对这一工程痛点，本研究旨在采用先进的光滑粒子流体动力学（SPH）方法，系统模拟水深78 m、波高13 m、周期1 044 s的中长周期波浪与斜坡堤相互作用的动力响应特性。研究致力于揭示斜坡表面的压力分布规律，阐明波浪力随周期变化的物理机制，并提出适用于中长周期波的最大正压力计算公式，从而为海外复杂海况下的斜坡堤安全设计提供坚实的理论支撑。

二、研究方法

本研究基于DualSPHysics开源软件，构建了高精度的1:20缩尺数值水槽模型。针对中长周期波属于浅水非线性波的物理特征，研究摒弃了传统的斯托克斯波理论，创新性地采用椭圆余弦波理论进行造波模拟，通过在数值水槽中精确指定造波板时程位移来生成符合实际海况的波浪。在湍流与边界处理方面，采用了SPS（sub-particle scale）亚粒子尺度模型，并引入mDBC（modified dynamic boundary condition）改进型动态边界条件，有效消除了传统DBC方法中易出现的非物理间隙问题。数值水槽计算域设定为长50 m、高80 cm，斜坡表面坡度设为1:1.5，并在关键位置布置了10个压力传感器（P0~P9）以捕捉动态压力场。

为确保数值模型的可靠性，研究进行了严密的四步验证体系：包括波浪率定、椭圆余弦波生成验证（与王大国和邹志利试验对比）、斜坡传播验证（与Ting和Kirby试验对比）以及波压力模拟验证（与Han和Dong试验对比）。在工况设计上，综合考虑3种水深与2种波高组合，设计了6组典型工况，厄塞尔数（Ur）覆盖50~400范围。研究特别采用厄塞尔数（Ur=HL²/d³）而非传统的波陡（H/L）作为衡量波浪非线性程度的核心参数，以更准确地表征中长周期波的动力学特征。

三、研究结果

通过对数值模拟数据的深度挖掘，本研究系统揭示了中长周期波作用下斜坡堤表面的压力演化规律。在波浪爬升过程中，水体速度呈现先增大后减小的趋势，爬升结束时速度趋近于零；当波浪周期从2.68 s增至4.47 s时，爬升高度与回落速度显著增大，但周期进一步增加后该变化趋于平缓。在压力分布特征上，斜坡表面的最大正压力出现在静水位以下4/5波高范围内（对应P4测点），这与短周期波的规律保持一致；且最大负压力远小于最大正压力，表明波浪对斜坡主要表现为强烈的冲击作用。正压力可清晰划分为三个区域：最大爬高处至静水位、静水位至4/5波高处、4/5波高处至坡脚；负压力则分为两个区域。

进一步分析发现，所有工况下的最大正压力（Pmax）随周期的增加呈现出显著的“线性-非线性”变化特征：即先迅速增大，随后缓慢增长，最终基本持平。不同水深与波高条件下的拐点位置存在差异。无量纲分析表明，Pmax/(ρgH)与厄塞尔数Ur的关系同样分为三个阶段：当50≤Ur≤150时迅速增加；150≤Ur≤200时略有增加；当Ur≥200时基本持平。研究揭示了这一现象的物理机制：最大正压力主要由测点处的水体厚度决定，而水体厚度受控于波浪的最大爬高值；中长周期波浪爬高能力“先增后稳”的变化趋势，直接决定了Pmax随周期的演化规律。基于此机制，研究成功拟合出适用于中长周期波的最大正压力系数计算公式：Pmax/(ρgH) = (-0.12-0.35d/H)·exp(-Ur/(4π²)) + 0.13d/H + 0.7，计算结果与数值模拟数据高度吻合。

四、研究结论

本研究通过高精度的SPH数值模拟，全面阐明了中长周期波与斜坡堤相互作用的动力学特性，得出以下核心结论：第一，中长周期波作用下斜坡表面的最大正负压力分布特征及压力分区规律与短周期波基本一致，现有Neelamani等人的分区方法依然适用；第二，最大正压力随厄塞尔数（Ur）的变化呈现明显的三阶段特征，证实了Ur是衡量中长周期波非线性效应导致压力变化的有效无量纲参数；第三，从物理机制上明确了最大正压力由水体厚度决定，并受波浪爬高能力控制的本质规律；第四，提出了专用于中长周期波的最大正压力计算公式，有效弥补了现有规范在深远海工程中的适用性短板。本研究成果不仅丰富了非线性波浪与海岸结构物相互作用的理论体系，更为“海上丝绸之路”沿线国家复杂海况下的斜坡堤工程设计、防灾减灾及结构安全评估提供了科学、可靠的理论依据与技术支撑，具有显著的学术价值与广阔的工程应用前景。

相关图表

本文引用格式：姜昊, 景路, 朱艳, 等. 中长周期波作用下斜坡堤表面压力分布特性的SPH数值模拟研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 120-133.  (JIANG Hao, JING Lu, ZHU Yan, et al. SPH study on surface pressure distribution characteristics of sloping mound breakwaters induced by medium-long period waves[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 120-133.  (in Chinese)）

通信作者简介：景路   

景路，清华大学深圳国际研究生院副教授，博士生导师，入选国家级青年人才计划。围绕水利与海洋工程防灾减灾国家需求，在水沙环境力学、两相流与颗粒流、流固耦合高性能计算等方面开展研究工作，曾受邀在国际颗粒物质高登学术会议作大会报告。主持或参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省粤港澳研究团队等10余项基础研究项目，在PRL、JFM、GRL等期刊发表论文40余篇。担任国际期刊JGR: Earth Surface副主编、国际地质灾害与减灾协会专委会副主席等学术职务。

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