PRIN 招标计划 - 2022年2月2日第104号部长令（PRIN 2022）

项目标题： 一种基于超材料的用于衰减表面重力波的装置（META）

PE3_14 领域 - 代码 2022WKRYNL_002 - 措施 M4C2 – 投资 1.1 “国家利益研究项目（PRIN）”

CUP代码： D53D23002420006

预算： € 84.894

P.I. 或 U.R. 负责人

其他研究单位或可能的子单位

Miguel ONORATO 教授，都灵大学（首席研究员）

Michele MOSSA 教授，巴里理工大学，副首席研究员及 Poliba 研究单位负责人

Paolo PEZZUTTO 博士，意大利国家研究委员会，CNR 研究单位负责人

项目简要说明

PRIN 2022 项目“ A metamaterial-based device for attenuating surface gravity waves ”旨在开发基于超材料概念并应用于流体动力学的创新装置，以控制和衰减波浪运动。其构想是利用由空心球体构成、通过缆绳与海床相连的浸没式漂浮元件阵列，这些元件表现为振荡系统。与入射波相互作用时，这些元件通过反射、透射和能量耗散改变波的传播，其机理类似于基于局域共振的超材料。该项目采用了实验—数值一体化的方法开展。试验在一条长 45.20 m 的波浪水槽中进行，使用直径 7.2 cm 的球体，并测试了不同密度配置。与此同时，建立了三维 SPH 数值模型（DualSPHysics），能够模拟自由液面和流固相互作用，并包含湍流（SPS）以及波浪生成/吸收系统（AWAS）。

目的

主要目标是证明可通过受超材料启发的装置控制波浪传播，从而实现对波浪能量的高效衰减，以用于海岸防护应用。核心内容之一是理解波—振荡系统相互作用的物理机制，尤其是共振和动态耦合，这些机制对于增强反射和耗散至关重要。项目还旨在确定最优配置（几何形状、密度、波浪条件），并在高分辨率实验数据集的支持下开发可靠的数值模型。

预期成果

预期成果包括证明超材料式配置在改变波浪传播和衰减波能方面的有效性。项目计划识别最佳运行条件并揭示共振现象，从而提高反射率。此外，还旨在量化反射和透射系数，并收集详细的实验数据集。从数值角度看，目标是验证一个能够再现波浪及流固相互作用的三维 SPH 模型，为设计提供有用工具。

已取得的成果

项目开展了大规模实验研究，采用多种阵列配置和规则波（波高 2–4 cm，频率 0.6–2.0 Hz）。结果表明，衰减效果对频率和配置具有显著依赖性，在约 1.1 Hz 和 1.6 Hz 处出现反射峰值，并与共振现象相关。测量数据（电阻式波高仪和 ADV）提供了高分辨率数据集，包括速度垂向剖面，可用于对运动场进行详细分析。SPH 模型（最多约 2200 万个粒子）较好地再现了自由液面和速度场，验证了其模拟所观察到现象的能力。总体而言，已证明球体阵列可作为有效的流体动力学超材料，显著降低波能，其中共振是关键机制。实验—数值一体化方法被证明稳健且具有前景，可用于未来海岸防护应用。

一些已发表的论文（其他论文正在发表中）

• De Padova, Diana, Barbato, Giuliana, Lapietra, Isabella, Lisco, Stefania Nunzia, Mastronuzzi, Giuseppe, Mercogliano, Paola, Mossa, Michele, Rizzo, Angela（印刷中）。 表面之下：气候变化如何加剧侵蚀和悬浮泥沙负荷. 地球系统与环境，ISSN: 2509-9426，doi: 10.1007/s41748-025-00871-0

• Calvo, L.、De Padova, D.、Onorato, M. 等 由一组浸没共振器阵列引起的波浪衰减及涡量生成机制的 SPH 建模。Environ Fluid Mech 25, 21 (2025). https://doi.org/10.1007/s10652-025-10034-4

• De Serio, Francesca, De Padova, Diana, Ben Meftah, Mouldi, Mossa, Michele（2025）。 用于人为改造海岸区域长期监测数据分析的框架. 《生态水力学期刊》，第10卷，第366-388页，ISSN: 2470-5357，doi: 10.1080/24705357.2024.2428959

• Mossa、Michele、De Padova、Diana、Onorato、Miguel（2025）。 海岸植被对孤立波的阻尼作用. 《流体力学杂志》，第1002卷，A45，ISSN：0022-1120，doi：10.1017/jfm.2024.1185

• Mossa, Michele, De Padova, Diana（2025）。 波浪与植被的相互作用. SCIENTIFIC REPORTS，第 15 卷，6157，ISSN: 2045-2322，doi: 10.1038/s41598-025-89627-4

• De Padova、Diana、Ben Meftah、Mouldi、Mossa、Michele（2025）。 植被海床上波浪衰减的理论与数值研究. 地表过程与地貌，卷 50，e70054，ISSN：0197-9337，doi：10.1002/esp.70054

• Mossa，Michele；Pezzutto，Paolo；Onorato，Miguel。 测试基于超材料的表面重力波衰减装置的二维响应 - (2024). 第38届国际海岸工程会议，罗马，2024年9月8日至14日。

• 德塞里奥、莫萨、帕多瓦、本·梅夫塔赫（2024）。 内破碎带中的卷破波与类伯格斯湍流. In: 第38届国际海岸工程会议论文集。意大利罗马，2024年9月8日至14日

• De Padova, Diana, Mossa, Michele（2020）。 规则破碎波的流体动力学. In: 地球物理与海洋波浪研究。doi: 10.5772/intechopen.94449