关于规则波浪在具有三周期最小表面结构的人工礁石上运动的数值研究

《Ocean Engineering》：Numerical study of regular waves over artificial reefs of triply periodic minimal surface structures

针对三周期极小曲面（TPMS）人工礁块的波浪衰减特性，本研究采用两相模型，结合高精度孔隙流模拟和大涡模拟（LES）方法，揭示了固体体积分数对水动力性能的关键影响。实验验证表明，模型能准确预测波浪能量耗散，其中TPMS原始单元的衰减系数最低（0.24-0.61 m?1），而优化设计的垂直梯度结构可显著提升稳定性并减少冲刷风险。

　　在面对日益加剧的气候变化和生态退化问题时，沿海社区正经历着前所未有的挑战。这些威胁不仅包括海平面上升、风暴潮频发等自然现象，也涵盖了人类活动对海洋生态系统造成的破坏。因此，开发能够有效缓解这些风险的自然解决方案变得至关重要。人工珊瑚礁作为这类解决方案之一，被广泛用于减少波浪对海岸线的冲击，同时还能为海洋生物提供栖息地，从而改善生态环境。人工珊瑚礁的设计不仅需要考虑其对波浪能量的消散能力，还应兼顾结构的稳定性以及生态功能的实现。

在本研究中，科学家们探讨了一种新型的人工珊瑚礁结构，其采用三重周期性极小曲面（TPMS）单元作为基础材料。TPMS是一种具有高度复杂几何结构的数学模型，它能够模仿自然珊瑚礁的多孔性特征，为波浪能量的消散提供更有效的途径。为了研究这种结构的波浪消散特性，研究团队建立了一个双相计算流体力学（CFD）模型，该模型能够捕捉波浪的自由表面运动。此外，研究人员还使用了体适应网格来解析TPMS单元内部的孔隙尺度流动，并通过大涡模拟（LES）方法来研究波浪与人工珊瑚礁之间的相互作用，包括非定常涡脱落、上升流和下沉流等现象。

为了验证模型的有效性，研究团队首先将其应用于一个实验室实验中，该实验研究了波浪在圆柱体上的传播情况以及波浪驱动的流场在珊瑚礁-泻湖-通道系统中的变化。实验数据与模型预测结果基本吻合，证明了该模型在描述波浪与人工珊瑚礁相互作用方面具有较高的准确性。随后，研究团队利用该模型对四种不同的TPMS单元进行了波浪消散能力的分析。通过调整波浪周期和TPMS单元的几何形状，研究人员探讨了影响波浪消散的关键参数。

研究发现，人工珊瑚礁顶部的固体体积分数是影响波浪消散的重要因素。这一参数不仅决定了波浪在珊瑚礁内部的流动路径，还可能影响波浪的破碎过程，从而对波浪消散产生显著影响。随着固体体积分数的增加，波浪消散效果也相应增强。在本研究中，波浪衰减系数的范围在0.24到0.61之间，表明TPMS单元在波浪消散方面具有较高的效率。然而，研究也指出，原始TPMS单元在所有类型的TPMS结构中表现最差，这可能与其结构的不规则性和较低的表面面积与体积比有关。

除了波浪消散，研究还关注了TPMS结构对珊瑚礁稳定性的影响。研究人员发现，孔隙尺度的流动在珊瑚礁底部可能对结构的稳定性产生影响。由于TPMS单元内部存在规则排列的孔隙，水流可能会形成特定的路径，从而导致潜在的侵蚀问题。此外，垂直方向上的孔隙流动可能引起细颗粒沉积物的吸入，进而削弱珊瑚礁的稳定性。为了解决这一问题，研究团队建议在珊瑚礁设计中采用垂直方向上的固体基底，以显著降低局部侵蚀的风险。

研究团队还探讨了如何通过调整TPMS单元的几何结构和孔隙分布来优化人工珊瑚礁的性能。在波浪周期和几何形状的变化下，研究人员发现TPMS单元能够提供更复杂的流动路径，从而增强波浪能量的消散效果。此外，TPMS结构的高表面面积与体积比有助于提高海洋生物的定居率和多样性，为珊瑚礁的生态功能提供支持。因此，研究团队认为，在设计人工珊瑚礁时，应充分考虑孔隙尺度流动对波浪消散和结构稳定性的双重影响。

在实际应用中，人工珊瑚礁的设计需要综合考虑多种因素，包括材料的物理特性、结构的几何形状以及环境条件。TPMS结构作为一种新兴的材料设计方法，能够提供高度可定制的多孔性特征，使其在波浪消散和生态功能方面具有独特的优势。然而，由于TPMS结构的复杂性，传统的经验公式和模型难以准确描述其在波浪环境中的表现。因此，研究团队采用了先进的数值模拟方法，如大涡模拟（LES），以更精确地捕捉波浪与人工珊瑚礁之间的相互作用。

大涡模拟（LES）在研究复杂或多层次几何结构的波浪相互作用方面具有显著优势。与传统的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型相比，LES能够解析大尺度的非定常湍流结构，并仅对小尺度的湍流进行建模。这种方法在研究高起伏的海底粗糙度，如珊瑚礁和植被冠层时尤为适用，因为湍流过程在波浪消散中起着关键作用。通过LES，研究人员能够获得波浪与人工珊瑚礁相互作用的详细信息，包括瞬时流动结构和湍流统计特性，从而更全面地评估人工珊瑚礁的水动力性能。

研究团队还探讨了TPMS结构在波浪消散中的具体表现。通过调整TPMS单元的几何形状和孔隙分布，研究人员发现不同类型的TPMS结构在波浪消散方面具有不同的效果。例如，标准的Gyroid结构在较长的波浪周期下表现出更稳定的波浪消散能力，而原始TPMS结构则由于其较低的表面面积与体积比和不规则的孔隙分布，在波浪消散方面效果较差。因此，研究团队建议在设计人工珊瑚礁时，应优先选择具有较高表面面积与体积比和规则孔隙分布的TPMS结构，以提高其波浪消散效率和生态功能。

此外，研究还关注了TPMS结构对海洋生态系统的潜在影响。由于TPMS结构的多孔性特征，它能够为海洋生物提供丰富的栖息地，促进生物多样性的发展。研究人员发现，TPMS结构的高表面面积与体积比有助于提高海洋生物的定居率，从而增强人工珊瑚礁的生态功能。因此，TPMS结构不仅在波浪消散方面具有优势，还能在生态服务方面发挥重要作用。

在实验和模拟过程中，研究团队还发现了一些值得注意的现象。例如，在波浪周期较长的情况下，波浪的自由表面保持接近二维状态，而波浪周期较短时，自由表面则表现出更多的三维特征。这些现象表明，波浪周期对波浪与人工珊瑚礁的相互作用具有重要影响。因此，在设计人工珊瑚礁时，应充分考虑波浪周期的变化，以优化其波浪消散能力。

研究团队还强调了在设计人工珊瑚礁时，孔隙尺度流动的重要性。由于TPMS结构的复杂几何特征，孔隙尺度的流动对波浪消散和结构稳定性具有直接影响。因此，在人工珊瑚礁的设计过程中，应采用高分辨率的体适应网格来解析孔隙尺度的流动，以确保模型的准确性。同时，研究人员还发现，孔隙尺度的流动在不同高度和位置的分布可能对波浪消散和结构稳定性产生不同的影响。因此，在设计人工珊瑚礁时，应充分考虑这些因素，以实现最佳的波浪消散效果和生态功能。

通过本研究，科学家们希望为人工珊瑚礁的设计提供新的思路和方法。TPMS结构作为一种高度可定制的材料设计方法，能够提供更复杂的流动路径和更高的表面面积与体积比，使其在波浪消散和生态功能方面具有独特的优势。因此，研究团队建议在未来的珊瑚礁设计中，应更多地采用TPMS结构，以提高其在复杂海洋环境中的适应性和有效性。

此外，研究还指出，TPMS结构的高表面面积与体积比不仅有助于提高波浪消散效率，还能为海洋生物提供更多的栖息空间，从而促进生物多样性的恢复和发展。因此，TPMS结构在生态服务方面也具有重要价值。科学家们认为，通过优化TPMS结构的几何形状和孔隙分布，可以进一步提高其在波浪消散和生态功能方面的综合性能。

研究团队还强调了在设计人工珊瑚礁时，应充分考虑环境条件的影响。例如，在浅水环境中，波浪的破碎过程可能受到TPMS结构孔隙尺度流动的影响，从而改变波浪消散的机制。因此，在设计人工珊瑚礁时，应结合具体的环境条件，以确保其在不同水深和波浪周期下的适应性。同时，研究还发现，TPMS结构的孔隙尺度流动在不同高度和位置的分布可能对波浪消散和结构稳定性产生不同的影响，因此在设计过程中应充分考虑这些因素。

总的来说，本研究为人工珊瑚礁的设计提供了新的视角和方法。通过采用TPMS结构，研究人员能够更有效地捕捉波浪与人工珊瑚礁之间的相互作用，并提高波浪消散效率和生态功能。因此，TPMS结构在未来的珊瑚礁设计中具有广阔的应用前景。科学家们希望，通过进一步的研究和优化，能够开发出更加高效和可持续的人工珊瑚礁结构，以应对气候变化和生态退化带来的挑战。