一種新型浮式防波堤的消浪特性研究

沈文君，曲健冰，李 焱，高 峰

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津300456；2.中國船級社海洋工程技術(shù)中心，天津300457）

一種新型浮式防波堤的消浪特性研究

沈文君1，曲健冰2，李 焱1，高 峰1

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津300456；2.中國船級社海洋工程技術(shù)中心，天津300457）

文章通過AQWA軟件，數(shù)值研究了“”字型浮式防波堤在規(guī)則波作用下的水動力特性，探討了相對入水深度對結(jié)構(gòu)消浪性能的影響。計算結(jié)果表明：不同改變相對入水深度的方法，透射系數(shù)變化規(guī)律不同，透射系數(shù)隨著結(jié)構(gòu)吃水的增加而明顯減??；透射系數(shù)隨水深增加發(fā)生的變化較小。浮箱結(jié)構(gòu)吃水的變化引起的相對入水深度的改變對消浪效果的影響要大于因水深變化而引起的相對入水深度的改變。

浮式防波堤；消浪性能；透射系數(shù)；相對入水深度

隨著人類對海洋資源的進一步開發(fā)，浮式防波堤作為一種靈活、簡潔、拆裝方便且節(jié)能環(huán)保、造價相對經(jīng)濟的新型結(jié)構(gòu)物而備受關注。浮式防波堤通常由堤體和錨泊系統(tǒng)組成，近年來國內(nèi)外很多研究人員針對其展開了大量的研究。Atilla Bayram對浮式防波堤的透射系數(shù)進行了系列試驗研究，錨固系統(tǒng)和防波堤系統(tǒng)不變，研究波高和波陡對透射系數(shù)的影響［1］。侯勇對矩形浮式防波堤的運動特性和錨鏈受力進行了系統(tǒng)的試驗研究，得到了規(guī)則波作用下浮堤模型在不同影響因素條件下的消浪性能和運動特性［2］。Dong等提出了一種板-網(wǎng)形式的浮式防波堤，并對其水動力特性開展了試驗研究，討論了堤寬、剛性、網(wǎng)數(shù)等因素對防波堤消浪性能的影響［3］。Ioanna數(shù)值研究了頻域條件下垂直導樁式浮防波堤在波浪作用下的消波性能，并將其與相應的剛性浮式防波堤的消波性能進行比較，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)剛度和波向?qū)θ嵝苑啦ǖ痰南ㄐ阅苡泻艽蟮挠绊懀?］。王環(huán)宇提出了由菱形模塊拼裝的多孔浮式防波堤的結(jié)構(gòu)型式，并對其消浪性能及系泊型式、以及影響系泊力的因素進行了研究［5］。陳智杰等在線性化勢流理論范圍內(nèi)求解了方箱-水平板浮式防波堤的波浪繞射和輻射問題，從時域角度分析了浮式防波堤的水動力特性［6］。劉海成研究了一種新型（凹菱形）浮式防波堤的透浪系數(shù)，并與現(xiàn)有的浮箱式、廢舊輪胎式、浮筏式等浮式防波堤進行了對比［7］。

1 結(jié)構(gòu)基本參數(shù)和計算條件

1.1 理論基礎

本研究運用AQWA的Line和Naut模塊來模擬浮式防波堤的二維運動，約束防波堤的三個方向的自由度，使其只產(chǎn)生橫蕩、垂蕩和橫搖三個方向的運動。Line模塊是用于計算浮箱結(jié)構(gòu)在規(guī)則波中響應問題的計算程序，可以計算由波浪輻射/衍射引起的任意形狀的浮箱結(jié)構(gòu)周圍的波浪力。其使用典型的格林函數(shù)法求解浮箱結(jié)構(gòu)的波浪力，同時求得浮箱的附加質(zhì)量和輻射阻尼、三個自由度方向上的運動、響應的穩(wěn)態(tài)波浪漂移力等。Naut模塊用于計算在特定波浪條件下，浮箱運動時間歷程，計算時調(diào)用Line數(shù)據(jù)文件的附加質(zhì)量、輻射阻尼及繞射力，再考慮浮箱結(jié)構(gòu)間停泊線的影響，計算浮箱的運動響應。它重新計算每個時間步長的水動力載荷的F-K部分，計算時考慮浮箱的濕表面面積的變化及吃水的變化引起的非線性動力學效應。

1.2“ ”字型浮箱的基本參數(shù)

其結(jié)構(gòu)型式及尺度如圖1所示。即在16 m寬和4 m高的方箱沿兩側(cè)和水下分別增設2 m長的懸臂，目的是增大方箱的寬度和入水深度，同時利用所形成的兩側(cè)和底部空腔消波，從而提高浮箱的消波效果，并可節(jié)省一定的工程材料；在方箱下部均勻配重，以降低重心，提高浮體穩(wěn)性。

1.3 計算工況及參數(shù)

（1）計算工況。

方案一：如圖1所示，保持底懸臂長2 m，浮箱入水深度為5 m（包括底懸臂的長度2 m），重心位置離底1.5 m，水深為20 m、24 m、30 m、50 m和100 m，相對入水深度分別為0.25、0.208 3、0.167、0.1和0.05；

圖1 方案一中‘’型浮防波堤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of a type of‘’floating breakwater for Scheme 1

方案二：如圖2所示，保持底懸臂長2 m，不變提高浮箱重心，使得浮箱入水深度為4 m（包括底懸臂的長度2 m），重心位置離底2 m，水深為20 m，相對入水深度為0.2；

圖2 方案二中‘’型浮防波堤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of a type of‘’floating breakwater for Scheme 2

（2）計算參數(shù)。

錨鏈直徑d取100 mm，彈性模量為38.8 Gpa，迎浪面和背浪面對稱布置，錨鏈間距15 m，錨鏈拖地長度St=0 m，錨鏈導鏈孔夾角θ=30°。

入射波為規(guī)則波，波高HI=1.0 m；波周期T=5 s、6 s、7 s、8 s。

圖3 浮式防波堤的水動力模型（入水5 m）Fig.3 Hydrodynamic model of floating breakwater with the 5 m immersed length

2“開”字型浮箱的數(shù)值模型建立

根據(jù)以上資料參數(shù)，采用有限元軟件ANSYS，建立浮式防波堤的三維實體模型，通過anstoaqwa語句將防波堤的有限元模型導入到AQWA軟件中，根據(jù)計算需要以及模型參數(shù)進一步修改其他水動力要素，如浮式防波堤的質(zhì)量、重心、轉(zhuǎn)動慣量、工作域的水深以及入射波的頻率和方向等，從而建立完整的水動力模型，浮式防波堤的水動力模型如圖3～圖4所示，其中，坐標原點位于水線面處。在Aqwa?naut模塊中建立系泊系統(tǒng)的模型，如圖5所示。其中波高監(jiān)測點建在防波堤堤后120 m處。

圖4 浮式防波堤的水動力模型（入水4 m）Fig.4 Hydrodynamic model of floating breakwater with the 4 m immersed length

3 數(shù)值結(jié)果分析

（1）相對入水深度相同，改變水深與吃水對消浪效果的影響。

方案一中水深為24.0 m時，結(jié)構(gòu)的相對入水深度為0.208

3，方案二的相對入水深度為0.2，相對入水深度基本相同，將二者的結(jié)果進行對比，如圖6所示，從中可以看出，在相同入射波高條件下，透射系數(shù)均隨著波長L的增大而增大，而，所以透射系數(shù)也隨著波浪周期的增加而增大。

相對入水深度基本相同情況下，水深和浮箱吃水均變小后，透射系數(shù)有所變大，主要原因一是水深不同，波能分布不同；二是吃水減小，防波堤阻擋水體的面積變小，從箱體下部透射過去的波浪能量就越多；三是減小浮箱的吃水后，浮箱的總質(zhì)量會降低，浮箱的重心會提高，浮心和轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)也會發(fā)生變化，其運動特性即隨之變化，浮體的運動量會有所增大，也同時增加了浮體的二次造波，進而增大了透射系數(shù)。

（2）水深條件相同，改變吃水對消浪效果的影響。

當方案一的水深條件和方案二相同，為20 m時，通過改變結(jié)構(gòu)的吃水來改變相對入水深度，方案一的相對入水深度為0.25，方案二的相對入水深度為0.2。圖7為方案一（水深20 m）與方案二消浪效果的結(jié)果對比圖，從中可以看出，透射系數(shù)隨著入水深度的增加而明顯減小。圖8為方案一（水深24米）與方案二的對比結(jié)果，可以看出雖然兩個方案的相對入水深度不同，但透射系數(shù)相差不大?？v觀圖7和圖8可以得出，浮箱結(jié)構(gòu)吃水的變化（改變了浮箱的質(zhì)量特性）而引起的相對入水深度的改變對消浪效果的影響要大于因水深變化而引起的相對入水深度的改變。圖6～圖9中橫坐標B/L表示浮式防波堤的相對寬度，即浮堤自身寬度與波長之比。

圖5 防波堤及系泊系統(tǒng)模型整體示意圖Fig.5 Sketch of the whole model

圖6 方案一（水深24 m）與方案二的結(jié)果對比（HI= 1.0 m）Fig.6 Results of Scheme 1 with 24 m water depth and Scheme 2（HI=1.0 m）

圖7 方案一（水深20 m）與方案二的結(jié)果對比（HI=1.0 m）Fig.7 Results of Scheme 1 with 20 m water depth and Scheme 2（HI=1.0 m）

圖8 方案一（水深24 m）與方案二的結(jié)果對比（HI=1.0 m）Fig.8 Results of Scheme 1 with 24 m water depth and Scheme 2（HI=1.0 m）

圖9 不同水深的結(jié)果對比（HI=1.0 m）Fig.9 Results of different water depths

（3）吃水不變，改變水深對消浪效果的影響。

圖9是不同水深的結(jié)果對比圖，從圖中可以看出，當B/L在0.2附近時（對應波浪周期為8 s），各水深條件下的透射系數(shù)大體相同；其他波浪周期對應下的透射系數(shù)大體上隨著水深的增加而略有增加。但總體而言，各水深條件下的結(jié)果變化較小。這是由于水質(zhì)點的波動隨深度的增加而逐漸微弱甚至靜止，波浪的動能大部分靠近水面附近。

4 結(jié)論

本文根據(jù)浮式防波堤的資料參數(shù)，采用有限元軟件ANSYS建立了浮式防波堤的“”字型三維實體模型，導入到AQWA模塊中，通過繞輻射理論研究了浮式防波堤在規(guī)則波作用下的水動力特性，探討了相對入水深度對結(jié)構(gòu)消波性能的影響，得到以下認識：

（1）在相同入射波高條件下，透射系數(shù)均隨著波浪周期的增加而增大，即結(jié)構(gòu)對長周期波的消弱作用較差，對短周期波的消弱作用較好。

（2）浮箱結(jié)構(gòu)吃水的變化（改變了浮箱的質(zhì)量特性）而引起的相對入水深度的改變對消浪效果的影響要大于因水深變化而引起的相對入水深度改變。

（3）各水深條件下的結(jié)果變化較?。寒敳ɡ酥芷跒? s時，各水深條件下的透射系數(shù)大體相同；其他波浪周期對應下的透射系數(shù)大體上隨著水深的增加而略有增加。

［1］Bayram A.Experimental study of a sloping float breakwater［J］.Ocean Engineering，2000，27：453-455.

［2］侯勇.單方箱-錨鏈式浮防波堤水動力特性試驗研究［D］.大連：大連理工大學，2008.

［3］Dong G H，Zheng Y N，Li Y C，et al.Experiments on wave transmission coefficients of floating breakwaters［J］.Ocean Engineering，2008，35：931-938.

［4］Ioanna D，Demos C A，George D M.Performance of pile?restrained flexible floating breakwaters［J］.Applied Ocean Research，2008，30：243-255.

［5］王環(huán)宇.多孔浮式防波堤的實驗研究與數(shù)值模擬［D］.大連：大連理工大學，2010.

［6］陳智杰，董華洋，曾志，等.波浪作用下方箱-水平板浮式防波堤時域水動力分析［J］.臺灣海峽，2012，31（1）：114-120. CHEN Z J，DONG H Y，ZENG Z，et al.Time?domain hydrodynamics analysis of pontoon?plate floating breakwater under waves ac?tions［J］.Journal of oceanography in Taiwan strait，2012，31（1）：114-120.

［7］劉海成，曹玉芬，陳漢寶.新型浮式防波堤消浪效果試驗研究［J］.水利科技與經(jīng)濟，2014，20（1）：19-23.

［8］李焱，肖輝，李松喆，等.“”型浮箱式防波堤運動特性和錨鏈力試驗［J］.水道港口，2015（6）：474-480. LI Y,XIAO H,LI S Z,et al.Experimental study on motions and mooring forces of-type pontoon floating breakwater［J］.Journal of Waterway and Harbor，2015（6）：474-480.

［9］李松喆，李焱，劉海源,等.型浮箱式防波堤消浪特性試驗研究［J］.水道港口，2016（2）：115-120. LI S Z,LI Y,LIU H Y,et al.Experimental study on wave dissipation of new type pontoon floating breakwater［J］.Journal of Water?way and Harbor，2016（2）：115-120.

Study on wave attenuation performance of a new floating breakwater

SHEN Wen?jun1,QU Jian?bing2,LI Yan1,GAO Feng1
（1.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;2. China Classification Society Offshore Engineering Technology Center,Tianjin 300457,China）

The hydrodynamic characteristic of floating breakwater was numerically studied using the software AQWA under the action of regular wave in this paper.The effect of relative water depth on the wave attenuation per?formance was discussed.The calculation results show that,the change of transmission coefficient is different in dif?ferent method of altering the relative water depth.The coefficient decreases obviously with the increase of scantling draft,and it changes small with the water depth.So the change of relative water depth owing to scantling draft plays a greater influence than the other.

floating breakwater;wave attenuation performance;transmission coefficient;relative water depth

TV 139.2

A

1005-8443（2016）03-0260-04

2015-05-04；

2015-07-23

交通運輸部應用基礎研究項目（2013329224230）

沈文君（1984-），女，河北省人，博士研究生，主要從事浮式結(jié)構(gòu)物的運動特性研究。

Biography：SHEN Wen?jun（1984-），female，doctor student.