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主要作者及机构
本研究的作者包括Jian Yang、Jiayang Gu、Xiaojian Ma、Zhaochen Sun和Shuxiu Liang。研究团队分别来自江苏科技大学海洋装备与技术研究院、江苏科技大学船舶与海洋工程学院以及大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室。该研究发表于2025年4月的《Ocean Engineering》期刊，论文标题为《Numerical Investigation of Water Wave Impacts on Partially Submerged Perforated Semi-Circular Structures》。

学术背景
本研究的主要科学领域为海洋工程，特别是波浪对海岸和近海结构的冲击问题。波浪冲击（wave impacts）是海洋工程中常见的现象，对海岸和近海结构的安全性和稳定性构成严重威胁。尽管已有大量研究关注波浪对垂直板或圆柱结构的冲击，但对穿孔半圆形结构的波浪冲击研究较少。这类结构在海岸工程中常用于消波和减少波浪传播，因此研究其波浪冲击特性具有重要的工程应用价值。
本研究旨在通过数值模拟，探讨波浪对部分淹没的穿孔半圆形结构的冲击特性，重点关注冲击压力的时空分布、空气夹带（air entrapment）的影响以及孔隙率（porosity）对冲击压力的影响。研究目标是为工程应用提供定性见解，而非定量分析波浪参数与载荷之间的关系。

研究流程
研究分为以下几个主要步骤：
1. 数值模型的建立与验证
- 研究采用二维两相流模型，结合体积分数法（Volume of Fluid, VOF）并考虑空气的可压缩性，模拟波浪对穿孔半圆形结构的冲击。
- 模型验证通过模拟Didier等人（2014）的实验数据进行，实验涉及波浪对垂直墙的冲击。数值模拟结果与实验数据吻合良好，验证了模型的可靠性。

1. 数值模拟设置

   • 研究建立了二维数值水槽，模拟波浪对穿孔半圆形结构的冲击。水槽左侧为波浪生成边界，右侧为波浪吸收区。
     
   • 研究对象包括三种类型的半圆形结构：基本穿孔型（basic perforation）、不透水型（impermeable）和前穿孔型（front perforation）。不同结构的孔隙率分别为42.78%、31.13%、21.39%、10.70%、0%和23.33%。
     
   • 入射波条件为二阶斯托克斯波（2nd-order Stokes wave），波高为1.600米，周期为5.814秒，水深为6.000米。
     

2. 网格收敛性分析

   • 研究对半圆形结构周围的网格进行了收敛性分析，测试了三种网格尺寸（0.100米、0.200米和0.400米），最终选择0.100米的网格进行后续模拟。
     

3. 波浪冲击过程分析

   • 研究详细分析了波浪冲击过程中波面、速度场和压力场的演化。通过数值模拟，观察了波浪对结构的冲击过程，包括波面的翻转、空气夹带以及冲击压力的时空分布。
     

4. 冲击压力的时空特性分析

   • 研究将结构表面的压力分布划分为四个区域：冲击区（impact zone）、准静水区（quasi-hydrostatic zone）、轻微影响区（slightly affected zone）和强烈波动区（strongly fluctuated zone）。
     
   • 结果表明，最大压力通常出现在静水位附近，且略低于静水位。空气夹带会导致压力振荡，而穿孔结构内部的空气对冲击压力影响较小。
     

5. 孔隙率对冲击压力的影响分析

   • 研究比较了不同孔隙率结构的冲击压力特性。结果表明，孔隙率较小的结构在冲击过程中表现出更高的峰值压力，且压力分布的空间特性也有所不同。
     

主要结果
1. 压力分布特性
- 结构表面的压力分布可分为四个区域，其中冲击区是波浪冲击的主要发生区域，覆盖了静水位附近的大部分区域。
- 最大压力值通常出现在静水位附近，且略低于静水位。在当前的数值条件下，最大压力值可达到约10倍的ρga（ρ为水密度，g为重力加速度，a为波幅）。

1. 空气夹带的影响

   • 空气夹带会导致压力振荡，尤其是在波浪与结构之间的空气被压缩时。然而，穿孔结构内部的空气对冲击压力的影响较小。
     

2. 孔隙率的影响

   • 孔隙率较小的结构在冲击过程中表现出更高的峰值压力。此外，孔隙率还影响了压力分布的空间特性。
     

结论
本研究通过数值模拟，系统分析了波浪对部分淹没的穿孔半圆形结构的冲击特性。研究结果表明，结构表面的压力分布可分为四个区域，最大压力通常出现在静水位附近。空气夹带会导致压力振荡，而穿孔结构内部的空气对冲击压力影响较小。此外，孔隙率对冲击压力有显著影响，孔隙率较小的结构在冲击过程中表现出更高的峰值压力。这些发现为工程应用提供了重要的定性见解，特别是在设计穿孔半圆形结构时，如何通过调整孔隙率来优化其抗冲击性能。

研究亮点
1. 创新性
- 本研究首次系统研究了波浪对穿孔半圆形结构的冲击特性，填补了该领域的研究空白。
- 研究采用了两相流模型，并结合VOF方法和空气可压缩性，提供了更真实的模拟结果。

1. 工程应用价值

   • 研究结果为海岸工程中穿孔半圆形结构的设计和优化提供了重要参考，特别是在如何通过调整孔隙率来减少波浪冲击载荷方面。
     

2. 方法论贡献

   • 研究详细验证了数值模型的可靠性，并通过网格收敛性分析确保了模拟结果的准确性。
     

其他有价值的内容
研究还探讨了湍流模型参数对数值结果的影响，发现湍流模型参数的变化对峰值压力的预测有一定影响，但整体趋势保持一致。这一发现为未来研究提供了进一步的优化方向。

以上报告全面介绍了本研究的主要内容、方法、结果及其科学和工程应用价值。