DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86491-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40652090
تاريخ النشر: 2025-07-12
المؤلف: V. Kumaran وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات السواحل والبحار
نظرة عامة
تتناول التحقيقات التجريبية المقدمة في هذه الدراسة تأثير الحواجز العمودية ذات الفتحات (VSB) والحواجز الأفقية ذات الفتحات (HSB) على انعكاس الموجات والقوى السائلة التي تتعرض لها حواجز الكاسون العمودية، مع التركيز بشكل خاص على تأثير عمق الماء غير البعدي وخصائص نفاذية الحواجز. تم وضع الحواجز على مسافات $S/d = 2$ و $S/d = 6$ لإنشاء غرفة لاحتجاز الموجات، وتقدم الدراسة تقارير عن معلمات مختلفة بما في ذلك توزيع الضغط، وقوة الموجة، وانعكاس الموجة، وارتفاع الموجة. تشير النتائج إلى أن انعكاس الموجة ينخفض مع زيادة عمق الماء، بينما تزداد قوة الضغط على الحاجز مع زيادة نفاذية الحاجز. ومن الجدير بالذكر أن HSB تتفوق على VSB في توزيع طاقة الموجة الساقطة، مما يشير إلى أنه يجب اختيار نوع الحاجز بناءً على الظروف المحددة للموقع.
تظهر الاستنتاجات المستخلصة من البيانات التجريبية أن الضغط النسبي يزداد مع عمق الماء حتى يصل إلى الحد الأقصى عند مستوى الماء الساكن، يليه انخفاض. تم ملاحظة انخفاض كبير في الضغط الديناميكي (25%) عند زيادة المسافة من $S/d = 2$ إلى $S/d = 6$. كما تسلط الدراسة الضوء على أن حاجز الكاسون العمودي يتعرض لقوة ضئيلة مع HSB ذات نفاذية 10%، بينما ترتبط قوى الموجة الأعلى بالموجات الطويلة وانخفاض النفاذية. تظهر النتائج أن VSB تظهر انعكاس موجات أكبر مقارنة بـ HSB، خاصة عند النفاذيات المنخفضة، بينما يوفر HSB تخميدًا أفضل للموجات. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط زيادة نفاذية الحاجز بزيادة ارتفاع الموجة، مع اختلافات ضئيلة في الأداء بين أنواع الحواجز عند نفاذية 50% و $S/d = 6$.
طرق
في قسم الطرق، يوضح المؤلفون إعداد التجربة ونطاق المتغيرات المستخدمة في دراستهم، والتي تشمل معلمات محددة للموجات والهياكل مفصلة في الجدول 2. يعتبر هذا النطاق الشامل من المتغيرات حاسمًا لفهم ديناميات النظام قيد التحقيق.
بالإضافة إلى ذلك، يؤكد المؤلفون على التحقق من صحة نموذجهم العددي المطور مقابل النتائج التجريبية. تعتبر هذه العملية ضرورية لضمان دقة وموثوقية النموذج، مما يعزز مصداقية النتائج المستخلصة من المحاكاة العددية. إن التوافق بين توقعات النموذج والبيانات التجريبية يؤكد قوة المنهجيات المستخدمة في الدراسة.
نتائج
تستكشف نتائج الدراسة كفاءة احتجاز الموجات للحواجز العمودية والأفقية ذات الفتحات الموضوعة على مسافة من جدار عمودي صلب، باستخدام كل من النمذجة الفيزيائية والمحاكاة العددية. تبحث الدراسة بشكل خاص في حماية قاعدة الحاجز التي توفرها المسافة بين الحاجز المسامي وحاجز الكاسون العمودي غير القابل للاختراق. تشمل النتائج الرئيسية تأثير خصائص الموجات والحواجز على معاملات احتجاز الموجات ومعاملات قوة الموجات لكل من الحواجز العمودية ذات الفتحات (VSB) والحواجز الأفقية ذات الفتحات (HSB)، مع قياسات مختبرية سيتم تفصيلها في الأقسام اللاحقة.
تحافظ التحليل على ثوابت غير بعدية ثابتة لمسافة الحاجز المثقوب، تحديدًا $S/d = 2$ و $S/d = 6$، مع عمق ماء قدره $d = 0.50 \, \text{م}$. يتم استكشاف عدة حالات، بما في ذلك تأثير الضغط النسبي للموجة ($P/\rho gd$) بالتزامن مع معامل العمق النسبي ($z/d$)، ومعامل القوة النسبي ($F/\rho gd^2$) مقابل العمق النسبي للماء ($d/L$)، ومعامل انعكاس الموجة ($K_r$) بالنسبة للعمق النسبي للماء ($d/L$)، وارتفاع الموجة النسبي ($R_u/H_i$) فيما يتعلق بالعمق النسبي للماء ($d/L$). بالإضافة إلى ذلك، يتم إجراء تحليل لحقل التدفق باستخدام ديناميات السوائل الحسابية (CFD) لتوضيح هذه التفاعلات بشكل أكبر.
مناقشة
في قسم المناقشة من ورقة البحث، يبرز المؤلفون التحديات التي تطرحها الحواجز الثابتة التقليدية، مثل الجدران العمودية والمائلة والمنحنية الصلبة، والتي تتعرض للتلف من تأثيرات الموجات الجاذبية المستمرة. يركز مجتمع الهندسة الساحلية بشكل متزايد على تطوير حلول فعالة لتخميد الموجات، بما في ذلك الحواجز المؤقتة والهياكل المسامية، للتخفيف من هذه المشكلات. من بين الخيارات المختلفة، اكتسبت الجدران العمودية الرقيقة المسامية اهتمامًا بسبب فعاليتها من حيث التكلفة، ومتطلبات المواد القليلة، وسهولة التركيب. يمكن أن تعزز هذه الهياكل ديناميات نقل الرواسب وتقلل من خطر السيولة والتآكل، مما يستدعي حماية القاعدة لحماية موقع التركيب.
تؤكد الورقة على مزايا دمج الهياكل المسامية وغير المسامية لإنشاء مناطق مياه هادئة، والتي يمكن أن تعمل أيضًا كموائل اصطناعية للحياة البحرية. تناقش الورقة إمكانية الحواجز المثقوبة—سواء كانت عمودية أو أفقية—لتحسين تخميد الموجات وتقليل انعكاس الموجات، مما يعزز أداء الحواجز الحالية. يشير المؤلفون إلى دراسات مختلفة استكشفت الأداء الهيدروديناميكي لتصاميم الحواجز المختلفة، بما في ذلك استخدام نماذج ديناميات السوائل الحسابية (CFD) لتحليل تفاعلات الموجات. الهدف الرئيسي من الدراسة الحالية هو التحقيق في تأثيرات تكوينات الحواجز المثقوبة على انعكاس الموجات وقوى الضغط التي تتعرض لها الجدران الصلبة، بهدف تقديم توصيات عملية لتصميم البنية التحتية الساحلية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86491-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40652090
Publication Date: 2025-07-12
Author(s): V. Kumaran et al.
Primary Topic: Coastal and Marine Dynamics
Overview
The experimental investigation presented in this study focuses on the effects of vertical slotted barriers (VSB) and horizontal slotted barriers (HSB) on wave reflection and fluid forces experienced by a vertical caisson breakwater, with particular attention to the influence of dimensionless water depth and barrier porosity. The barriers were positioned at spacings of $S/d = 2$ and $S/d = 6$ to create a wave trapping chamber, and the study reports on various parameters including pressure distribution, wave force, wave reflection, and wave runup. The findings indicate that wave reflection decreases with increasing water depth, while the pressure force on the breakwater increases with barrier porosity. Notably, the HSB outperforms the VSB in distributing incident wave energy, suggesting that barrier type should be selected based on site-specific conditions.
The conclusions drawn from the experimental data reveal that the relative pressure increases with water depth until reaching a maximum at the still water level, followed by a decrease. A significant reduction in dynamic pressure (25%) was observed when increasing the spacing from $S/d = 2$ to $S/d = 6$. The study also highlights that the vertical caisson breakwater experiences minimal force with a 10% porosity HSB, while higher wave forces are associated with long waves and low porosity. The results demonstrate that the VSB exhibits greater wave reflection compared to the HSB, particularly at lower porosities, while the HSB provides enhanced wave damping. Additionally, the increase in barrier porosity correlates with an increase in wave runup, with negligible differences in performance between barrier types at 50% porosity and $S/d = 6$.
Methods
In the Methods section, the authors outline the experimental setup and the range of variables utilized in their study, which includes wave and structural-specific parameters detailed in Table 2. This comprehensive range of variables is critical for understanding the dynamics of the system under investigation.
Additionally, the authors emphasize the validation of their developed numerical model against experimental results. This validation process is essential to ensure the accuracy and reliability of the model, thereby reinforcing the credibility of the findings derived from the numerical simulations. The alignment between the model predictions and experimental data serves to confirm the robustness of the methodologies employed in the study.
Results
The results of the study investigate the wave trapping efficiency of vertical and horizontal slotted barriers positioned at a distance from a vertical rigid wall, utilizing both physical modeling and numerical simulations. The research specifically examines the toe protection afforded by the space between the porous barrier and the impermeable vertical caisson breakwater. Key findings include the influence of various wave and breakwater properties on wave trapping coefficients and wave force coefficients for both vertically slotted barriers (VSB) and horizontally slotted barriers (HSB), with laboratory measurements to be detailed in subsequent sections.
The analysis maintains fixed non-dimensional parameters for the spacing of the slotted barrier, specifically $S/d = 2$ and $S/d = 6$, with a water depth of $d = 0.50 \, \text{m}$. Several cases are explored, including the effects of relative wave pressure ($P/\rho gd$) in conjunction with the relative depth parameter ($z/d$), relative force parameter ($F/\rho gd^2$) against relative water depth ($d/L$), wave reflection coefficient ($K_r$) with respect to relative water depth ($d/L$), and relative run-up ($R_u/H_i$) in relation to relative water depth ($d/L$). Additionally, a flow field analysis is conducted using computational fluid dynamics (CFD) to further elucidate these interactions.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the authors highlight the challenges posed by traditional fixed breakwaters, such as vertical, sloping, and curved rigid walls, which are prone to damage from continuous gravity wave action. The coastal engineering community is increasingly focused on developing effective wave-damping solutions, including temporary wave barriers and permeable structures, to mitigate these issues. Among various options, thin vertical porous walls have gained attention due to their cost-effectiveness, minimal material requirements, and ease of installation. These structures can enhance sediment transport dynamics and reduce the risk of liquefaction and erosion, necessitating toe protection to safeguard the installation site.
The paper emphasizes the advantages of integrating permeable and impermeable structures to create calm water regions, which can also serve as artificial habitats for marine life. It discusses the potential of slotted barriers—both vertical and horizontal—to improve wave damping and reduce wave reflection, thereby enhancing the performance of existing breakwaters. The authors reference various studies that have explored the hydrodynamic performance of different breakwater designs, including the use of computational fluid dynamics (CFD) models to analyze wave interactions. The primary objective of the current study is to investigate the effects of slotted barrier configurations on wave reflection and pressure forces experienced by rigid walls, aiming to provide practical recommendations for coastal infrastructure design.