一種新型浮式防波堤消浪效果及錨鏈力數(shù)值研究

李紹武，鄒鵬旭，陳漢寶

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456）

一種新型浮式防波堤消浪效果及錨鏈力數(shù)值研究

李紹武1，鄒鵬旭1，陳漢寶2

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456）

對(duì)一種適合于救助打撈、工程臨時(shí)防護(hù)等應(yīng)急防浪情況的新型應(yīng)急浮式防波堤進(jìn)行了研究。運(yùn)用FLOW3D軟件模擬了新型應(yīng)急浮式防波堤在規(guī)則波作用下的運(yùn)動(dòng)過程，探討了波陡H/L及相對(duì)吃水深度D/d對(duì)新型應(yīng)急浮式防波堤透射系數(shù)以及錨鏈力的影響，并與波浪水槽內(nèi)系列物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果。研究結(jié)果表明，波周期是影響新型應(yīng)急浮式防波堤透射系數(shù)及錨鏈力的重要因素，周期越大，透射系數(shù)及錨鏈力也越大，而相對(duì)吃水深度只在一定范圍內(nèi)對(duì)透射系數(shù)及錨鏈力有影響。該新型應(yīng)急浮式防波堤的消浪效果良好，為其推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

應(yīng)急型浮式防波堤；透射系數(shù)；錨鏈力；數(shù)學(xué)模型

近年來，受全球氣候條件的影響，惡劣海況頻次有逐年提升態(tài)勢［1］，造成海上重大災(zāi)害事件頻發(fā)，從而對(duì)救助打撈工作提出了更高要求［2］。此外，隨著我國港口建設(shè)向離岸及深水發(fā)展，港口建設(shè)期經(jīng)常會(huì)遭受大風(fēng)、大浪的襲擊，如何有效地改善外海施工條件的問題也日益凸顯。這些情況下需要一種拆裝方便、布設(shè)速度快、能夠適應(yīng)較惡劣海況條件，且造價(jià)相對(duì)較低的應(yīng)急防浪結(jié)構(gòu)來減弱波浪，以保障海上救助作業(yè)、港口施工期各類作業(yè)以及其他海洋活動(dòng)的正常進(jìn)行。

基于港口應(yīng)急防浪需要，對(duì)一種新型應(yīng)急浮式防波堤開展研究。該新型應(yīng)急浮式防波堤是一種由三管組合消波單元串聯(lián)而成的浮式結(jié)構(gòu)（圖1）。每個(gè)消波單元內(nèi)有三個(gè)消浪管，三管縱向上水平放置，斷面上布置成三角形，且由帶有快速鎖扣的緊固架組裝而成。每一根緊固架的兩側(cè)分別固定一臺(tái)自收緊錨索電機(jī)，自收緊錨索電機(jī)與錨索連接，錨索的底端通過錨鉤固定。每個(gè)消浪管內(nèi)部放置一氣囊，此氣囊遇水可快速自動(dòng)充氣，并可通過端部的出氣孔快速有效地調(diào)節(jié)消浪管的吃水深度。該防波堤具有使用靈活、造價(jià)低、可重復(fù)利用、組裝速度快、方便運(yùn)輸安裝等特點(diǎn)，比較適合于救助打撈、工程臨時(shí)防護(hù)等應(yīng)急防浪情況。

圖1 新型應(yīng)急浮式防波堤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of new?type floating breakwater

國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)浮式防波堤的新型結(jié)構(gòu)以及分析方法開展了大量研究。KiranKamath［3］等人提出一種水平交錯(cuò)多層系泊浮管式防波堤結(jié)構(gòu)（HIMMFPB），并通過物理模型試驗(yàn)，研究相對(duì)板寬以及相對(duì)吃水深度對(duì)透浪性能的影響，發(fā)現(xiàn)透射系數(shù)隨著相對(duì)板寬以及相對(duì)吃水深度的增大而減小。Chun-Yan Ji［4］等人提出一種圓筒形浮式防波堤（CFB）結(jié)構(gòu)，該浮式防波堤通過柔性網(wǎng)籠及內(nèi)置懸浮小球干擾其附近水體的運(yùn)動(dòng)使波能衰減，通過物理模型試驗(yàn)研究浮式防波堤的透射系數(shù)、錨鏈力和運(yùn)動(dòng)特性，試驗(yàn)結(jié)果表明，新型浮式防波堤消浪效果優(yōu)于傳統(tǒng)雙浮筒式及矩形方箱式浮式防波堤，且對(duì)長周期、大波高情況消浪效果顯著。Mizutani N［5］基于VOF方法對(duì)波浪與矩形浮式防波堤作用下的波浪破碎進(jìn)行數(shù)值分析，通過建立二維數(shù)值模型，計(jì)算波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的非線性問題。李靖波［6］等人基于VOF方法建立了波浪與潛式雙層水平板型防波堤相互作用的數(shù)值模型，分析了透射系數(shù)隨相對(duì)波高及波陡等影響因素的變化規(guī)律，并用最小二乘法擬合出了透射系數(shù)的實(shí)用計(jì)算公式。

綜合考慮前人研究成果，浮式防波堤設(shè)計(jì)的主要參數(shù)是其透射系數(shù)和錨鏈力，本文擬采用數(shù)學(xué)模型方法就此開展研究。

圖2 防波堤附近網(wǎng)格剖分Fig.2 Meshes around floating breakwater model

1 數(shù)學(xué)模型的建立

數(shù)值波浪水槽長45 m，寬0.5 m，高1.1 m，水槽末端設(shè)置孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行消浪。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，孔隙消浪結(jié)構(gòu)的孔隙率取為0.8，粒徑取0.1［7］。防波堤單根消浪管直徑為75 mm，吃水深度為總高度的0.6倍。浮體質(zhì)量為2.18 kg，對(duì)重心軸的慣性矩為0.005 5 kg·m2。浮式防波堤的運(yùn)動(dòng)采用GMO流固耦合模塊來計(jì)算，同時(shí)可以輸出錨鏈力結(jié)果。在防波堤每個(gè)消波單元的迎浪和背浪側(cè)各配置兩根錨鏈，錨鏈布鏈方式可分為對(duì)稱布置和非對(duì)稱布置。考慮到來浪的不確定性以及結(jié)構(gòu)受力的均勻性要求，采用對(duì)稱布置［8］。錨鏈長度取水深兩倍，錨鏈剛度K=370.4 N/m。

圖3 物理模型試驗(yàn)布置示意圖Fig.3 Layout of physical model experiment

計(jì)算網(wǎng)格最大尺寸為2 cm，在水面處一個(gè)波高范圍內(nèi)以及浮式堤周圍對(duì)網(wǎng)格加密，尺寸取為0.5 cm。網(wǎng)格縱橫比均控制在1.25以下（圖2）。

圖4 數(shù)學(xué)模型與水槽試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison between numerical and experimental results

2 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，在波浪水槽中進(jìn)行了模型試驗(yàn)。

2.1 實(shí)體水槽布置

水槽尺度與數(shù)學(xué)模型一致（圖3）。造波機(jī)采用活塞式推波板，防波堤模型距離造波板22.35 m，數(shù)據(jù)采集在二次反射波浪到達(dá)模型前完成。在模型前布置2根浪高儀，用來進(jìn)行入反射分離，分離方法采用Goda的兩點(diǎn)法［9］，模型后布置3根浪高儀。

2.2 水槽試驗(yàn)設(shè)備

波高采用電容式波高傳感器進(jìn)行測量。消浪管采用與數(shù)學(xué)模型相同的直徑75 mm的PVC管制作，內(nèi)部空間填充泡沫。浮體模型質(zhì)量與慣性矩均與數(shù)學(xué)模型保持一致。錨鏈采用直徑1 mm的尼龍纜與直徑5 mm的定制彈簧連接而成，錨鏈的彈性剛度通過定制彈簧來模擬，彈簧剛度與數(shù)學(xué)模型一致。

2.3 水槽試驗(yàn)條件

試驗(yàn)組次與數(shù)學(xué)模型相同，入射波采用規(guī)則波，試驗(yàn)水深分別為0.375 m、0.625 m和0.875 m；試驗(yàn)周期分別為0.79 s、0.95 s、1.26 s、1.58 s、1.9 s和2.21 s；試驗(yàn)波高分別為3.75 cm、7.5 cm和12.5 cm。

采樣時(shí)間間隔為波周期的1/20，連續(xù)采集10個(gè)波周期。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每個(gè)組次重復(fù)三遍取其平均值。

2.4 實(shí)體水槽試驗(yàn)與數(shù)值水槽計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)比相同波高及水深條件下的數(shù)學(xué)模型與水槽試驗(yàn)結(jié)果，堤前波高相對(duì)誤差最大為8.86%，堤后波高相對(duì)誤差最大為5.43%。圖4為數(shù)學(xué)模型與水槽試驗(yàn)結(jié)果的堤后波高及錨鏈力比較情況?？芍瑪?shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3 數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果分析

影響浮式防波堤入反射、透射特性及錨鏈力的主要因素包括吃水深度D、水深d、波高H、波長L等，則透射系數(shù)Kt與各影響因素間的關(guān)系可以表示為

式中：Ht為堤后透射波高，Hi為堤前入射波高，將該函數(shù)中變量表示為無因次量形式，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，重點(diǎn)分析波陡H/L及相對(duì)吃水深度D/d對(duì)透射特性及錨鏈力的影響。

3.1 波陡對(duì)透射系數(shù)的影響

圖5 相同水深情況下透射系數(shù)隨波陡的變化Fig.5 Variation of transmission coefficient Ktvs. wave steepness H/L under the same wave depth

圖6 相同水深情況下透射系數(shù)隨相對(duì)吃水深度的變化Fig.6 Variation of transmission coefficient Ktvs.relative draft D/d under the same wave depth

圖5為相同水深、不同波高下，改變波周期，得到的透射系數(shù)Kt隨波陡變化的數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，可知，透射系數(shù)隨著波陡的增大而減小的規(guī)律性十分明顯。該結(jié)構(gòu)對(duì)于波陡大于0.06的情況防浪效果較好，波陡小于0.06后透射系數(shù)明顯增大。另外，還可以看出對(duì)于同一水深條件下的3個(gè)波高情況，波高較大時(shí)的透射系數(shù)大于波高較小的情況，這主要是因?yàn)殡S著波高增大，越浪加劇。

3.2 相對(duì)吃水深度對(duì)透射系數(shù)的影響

圖7 不同周期情況下錨鏈力隨波陡的變化Fig.7 Variation of mooring force vs.wave steepness H/L under different wave period

所有組次波高均為12.5 cm，水深分為0.375 m、0.625 m和0.875 m 3種情況，周期分為0.76 s、1.26 s和1.58 s三種情況。圖6為透射系數(shù)Kt隨相對(duì)吃水深度變化的計(jì)算結(jié)果，可知，透射系數(shù)隨著相對(duì)吃水深度的增大大體呈線性遞減趨勢，且周期越短遞減越快。這是因?yàn)槌运疃仍酱螅◇w有效擋水面積越大，從而透射系數(shù)越小。（b）、（c）兩組透射系數(shù)相差不大，說明相對(duì)吃水對(duì)透射系數(shù)只在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生影響。

3.3 波陡對(duì)錨鏈力的影響

由于浮體迎浪面的錨鏈力較大，而背浪面的錨鏈力較小，因此，主要以迎浪面的錨鏈力進(jìn)行分析。取錨鏈力多個(gè)波周期峰值的平均作為單根錨鏈?zhǔn)芰Φ淖畲笾?。圖7為不同周期下，改變波高時(shí)，錨鏈力隨波陡的變化，可知，波高增大，錨鏈力也增大，但不同周期情況下，錨鏈力隨波高增加的趨勢相差很大，周期越長，錨鏈力隨波高增加的速率越快，表明長周期波對(duì)錨鏈力的影響需要得到重視。

圖8 相同水深情況下錨鏈力隨相對(duì)吃水深度的變化Fig.8 Variation of mooring force vs.relative draft D/d under the same wave depth

3.4 相對(duì)吃水深度對(duì)錨鏈力的影響

所有組次波高均為12.5 cm，水深分為0.375 m、0.625 m和0.875 m 3種情況，周期分為0.76 s、1.26 s和1.58 s 3種情況。圖8為周期不變，錨鏈力隨相對(duì)吃水深度變化的計(jì)算結(jié)果，可知，錨鏈力隨著相對(duì)吃水深度的增大呈遞減趨勢，且周期越長，錨鏈力隨相對(duì)吃水深度增加而遞減的速率越快。但隨著相對(duì)吃水深度的增加，相對(duì)吃水深度對(duì)錨鏈力的影響減弱，說明相對(duì)吃水對(duì)錨鏈力只在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論及建議

本文主要結(jié)論如下：

（1）波浪周期是影響浮式防波堤透射系數(shù)及錨鏈力的一個(gè)關(guān)鍵因素，周期越大，透射系數(shù)及錨鏈力也越大；

（2）相對(duì)吃水深度越大，透射系數(shù)越小，且周期越小，該規(guī)律性越明顯，但相對(duì)吃水超過一定值后透射系數(shù)變化不明顯；

（3）相對(duì)吃水深度越大，錨鏈力越小，且周期越大，該規(guī)律性越明顯，但隨著相對(duì)吃水深度的增加，其對(duì)錨鏈力的影響減弱；

（4）該結(jié)構(gòu)對(duì)于波陡大于0.06的情況防浪效果較好。

［1］Vanem E，Walker S E.Identifying trends in the ocean wave climate by time series analyses of significant wave height data［J］. Ocean Engineering，2013，61：148-160.

［2］Cardone?V J，Callahan B T，Chen H，et al.Global distribution and risk to shipping of very extreme sea states（VESS）［J］.Inter?national Journal of Climatology，2015，35（1）：69-84.

［3］Kamath K，Hegde A V，Rao K B.Influence of Relative Draft on Transmission Characteristics of Floating Pipe Breakwater with spacing of Three［J］.Aquatic Procedia，2015（4）：206-213.

［4］Ji C Y，Chen X，Cui J，et al.Experimental study of a new type of floating breakwater［J］.Ocean Engineering，2015，105：295-303.

［5］Mizutani N,Rahman M.Numerical Analysis of Wave and Floating Breakwater Interaction using VOF Method［C］//The Fourteenth International Offshore and Polar Engineering Conference.International Society of Offshore and Polar Engineers,2004,5:23-28.

［6］李靖波，張寧川，劉愛珍.潛式雙層水平板型防波堤的數(shù)值研究［J］.水道港口，2014（4）：317-324. LI J B，ZHANG N C，LIU A Z.Numerical investigation of submerged horizontal twin?plate breakwater［J］.Journal of Waterway& Harbor，2014（4）：317-324.

［7］張婷.波浪的三維數(shù)值模擬及其應(yīng)用［D］.天津：天津大學(xué)，2009.

［8］陳徐均，湯雪峰，沈慶，等.系泊浮體布鏈方式優(yōu)劣的理論分析［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29（5）：84-87. CHEN X J，TANG X F，SHEN Q，et al.Theoretical Analysis of Mooring Chain Disposition for a Float?Body［J］.Journal of Hohai University，2001，29（5）：84-87.

［9］Goda Y,Suzuki Y.Estimation of incident and reflected waves in random wave experiments［C］//Proc.15th Coastal Eng.Conf. ASCE,Honolulu,1976:828-845.

Numerical study on wave?dissipating performance and mooring force of a new type of floating breakwater

LI Shao?wu1,ZOU Peng?xu1,CHEN Han?bao2
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072, China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456, China）

A new type of floating breakwater was presented for the application to emergency aiding and tempo?rary protection.FLOW3D software was used to simulate the movement of the floating breakwater under regular wave.The influence of wave steepness H/L and relative draft D/d on the transmission coefficient and mooring forces was investigated.The numerical model was validated by comparing the results of flume experiment.Numerical re?sults indicate that wave period has an important effect on the transmission coefficient and mooring force,and the transmission coefficient and mooring force are increased with wave period,while the relative draft are less determi?nant in the transmission coefficient and mooring force.The wave dissipation effect of this structure is fine,which provides a reference for its application.

floating breakwater for emergency;transmission coefficient;mooring forces;numerical model

U 656.2；O 242.1

A

1005-8443（2016）06-0573-05

2016-04-05；

：2016-05-03

李紹武（1962-），男，山東省人，教授，主要從事海岸動(dòng)力學(xué)及海岸工程研究工作。

Biography：LI Shao?wu（1962-），male，professor.