雙排浮式防波堤透射系數(shù)分析

王世林 李元新

摘 要：為研究雙排浮式防波堤的水動(dòng)力特性，本文通過(guò)數(shù)值模擬的研究方法，在AQWA軟件中建立了雙排浮式防波堤的數(shù)值模型，對(duì)正向入射波與一個(gè)雙排浮式防波堤單元的相互作用進(jìn)行了研究。在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，分析了不同周期波浪作用下，錨鏈剛度、后箱吃水等因素對(duì)浮堤的透射系數(shù)的影響。結(jié)果表明：相同波浪下雙排浮式防波堤的消浪效果要優(yōu)于單排浮式防波堤。研究雙排浮式防波堤的消浪性能，可以為實(shí)際工程提供一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：雙排浮式防波堤;透射系數(shù);消浪性能

中圖分類號(hào)：U656.2+4? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）01-0070-03

浮式防波堤作為一種新穎的特種防波堤，有著傳統(tǒng)坐底式防波堤的功能，如抵御波浪、海冰入侵港池，可以保證船舶在港池內(nèi)安全?？?、系泊、正常裝卸作業(yè)與旅客上下;同時(shí)由于它下面透空，只使用錨固系統(tǒng)與海底相連，所以有著不影響水體的交換，避免泥沙的淤積的優(yōu)點(diǎn)[1]。已有研究表明波浪的能量主要集中在水面以下三個(gè)波高大小的深度內(nèi)，因此浮式防波堤適應(yīng)波浪能量的分布，避免了傳統(tǒng)坐底式防波堤對(duì)工程資源的浪費(fèi)。諸多學(xué)者的研究重點(diǎn)集中在浮式防波堤的結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)以獲得更好的消浪效果上， 如國(guó)內(nèi)的徐樹(shù)鵬[2]、王志磊[3]等。國(guó)外的學(xué)者Alizadeh[4] 、Pangalila[5]等通過(guò)試驗(yàn)研究了多種因素對(duì)單個(gè)浮式防波堤透射系數(shù)的影響。綜合國(guó)內(nèi)外的諸多研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們采用模型試驗(yàn)或者數(shù)值模擬的研究方法對(duì)單個(gè)浮堤的消浪效果及錨泊系統(tǒng)進(jìn)行了研究，而對(duì)雙排甚至多排浮堤的研究較少，當(dāng)兩個(gè)浮堤存在時(shí)，浮堤之間的波浪場(chǎng)會(huì)更加復(fù)雜，浮堤與波浪、浮堤與浮堤之間存在著更加復(fù)雜的耦合效應(yīng)，浮堤的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)或錨鏈?zhǔn)芰?huì)與單個(gè)浮堤時(shí)不同。因此，研究雙排或是多排浮式防波堤的水動(dòng)力特性，對(duì)浮式防波堤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工建造、強(qiáng)度分析等方面有著重要的參考價(jià)值。

本文結(jié)合數(shù)值模擬軟件AQWA，在頻域內(nèi)研究了雙排浮式防波堤的消浪性能，得到了后箱吃水深度、錨鏈剛度及浮箱間距改變時(shí)雙排浮式防波堤透射系數(shù)的變化規(guī)律。

1 數(shù)值模型的建立及驗(yàn)證

1.1模型的建立

本文所研究的雙排浮式防波堤的兩個(gè)浮堤外型均采用方箱形結(jié)構(gòu)，尺寸均為13.2m×9m×5.4m，錨固系統(tǒng)方面考慮到錨鏈?zhǔn)芰Φ木鶆蛐?，采用?duì)稱八字形錨泊方式，計(jì)算水深設(shè)為16m，浪向?yàn)閤軸正向，吃水3.6m。由于沿x方向上箱體的長(zhǎng)度已經(jīng)不能忽略，因此浮箱間距指前箱背浪面與后箱迎浪面的間距，為20m。在AQWA中建立的模型如圖1所示，包括浮堤、水池邊壁及錨固統(tǒng)。

由于AQWA使用邊界元方法，因此在劃分網(wǎng)格的時(shí)候要對(duì)模型的表面進(jìn)行劃分，對(duì)兩個(gè)浮箱的網(wǎng)格進(jìn)行加密，同時(shí)由于水池的邊壁不參與浮箱水動(dòng)力的計(jì)算，對(duì)其采用較稀疏的網(wǎng)格。其中重心位置（0，0，-1.8），具體計(jì)算工況、模型參數(shù)及錨鏈參數(shù)如表1、2、3所示。本文數(shù)值模擬所設(shè)置的海況以及錨鏈剛度如表2、3所示。

1.2模型驗(yàn)證

本文中以Heave表示浮體的垂蕩， Surge表示浮體的縱蕩。取Goo.J等[6]人的圓筒、方箱相互作用的解析結(jié)果進(jìn)行運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的驗(yàn)證，其中RAO（response amplitude operators）為幅值響應(yīng)算子，用來(lái)描述運(yùn)動(dòng)特性和錨鏈張力，驗(yàn)證結(jié)果如圖2。

驗(yàn)證結(jié)果擬好較好，所建立的數(shù)值模型具有可信性。

2 結(jié)果與討論

在計(jì)算透射系數(shù)時(shí)，使用AQWAGS打開(kāi)頻域計(jì)算結(jié)果，得到波高云圖，提取波幅沿x軸線變化曲線，得到堤后的透射波幅，便可計(jì)算得到透射系數(shù)。由于透過(guò)前排浮堤的波浪可由后排浮堤的迎浪面進(jìn)行二次反射，反射的浪傳播到前排浮堤的背浪面可以輔助前排浮堤抵抗新傳來(lái)的波浪，因此會(huì)有更好的消浪效果。本文以錨鏈剛度EA=1.73E7N、吃水3.6m、間距20m、波高1m的工況對(duì)單、雙排浮式防波堤的透射系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，其中單排浮式防波堤使用與雙排浮式防波堤同樣的一個(gè)浮箱。由計(jì)算結(jié)果可知，在相同條件下雙排浮式防波堤透射系數(shù)要小于單浮箱時(shí)的透射系數(shù)，雙排浮式防波堤消浪性能更好。

2.1后箱吃水對(duì)透射系數(shù)的影響

本文選擇四個(gè)后箱吃水深度進(jìn)行研究，后箱吃水3.6m時(shí)表示與前箱的吃水深度相同，吃水4.2m時(shí)表示露出水面1.2m，吃水5.4m則表示后箱頂面與水面齊平，吃水6.6m表示后箱在水面以下。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隨著相對(duì)間距增大，浮堤的透射系數(shù)減小，說(shuō)明在處理較短周期波浪時(shí)，浮式防波堤的消浪能力較好。在后箱完全進(jìn)入水面以下前，吃水增加，透射系數(shù)整體是減小，而在后箱吃水為6.6m時(shí)，透射系數(shù)較另三種吃水深度都要大。這是因?yàn)閷?duì)于幾種不同的吃水深度雙排浮式防波堤下部對(duì)水的透空能力也不同，后箱吃水較深時(shí)，對(duì)波浪的阻擋作用也就越強(qiáng)，因此透射系數(shù)隨后箱吃水增加而減小;但是吃水6.6m時(shí)，后箱在水面以下，使得波面抬高，發(fā)生越浪的情況，因此透射系數(shù)變大了。

2.2錨鏈剛度對(duì)透射系數(shù)的影響

波浪作用在浮式防波堤上時(shí)，浮堤會(huì)隨著波浪的起伏做一定有規(guī)律的擺動(dòng)，通常認(rèn)為浮堤的運(yùn)動(dòng)為小振幅的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。由于浮堤的運(yùn)動(dòng)，波浪會(huì)從浮堤底部透過(guò)，當(dāng)錨鏈的剛度不同時(shí)，對(duì)浮堤的約束能力也不相同，因此消浪能力也不一樣。由計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)錨鏈的剛度由1.23E7N增加到1.73E7N、相對(duì)間距在0.46-1.01范圍內(nèi)時(shí)透射系數(shù)減小了0.2左右，透射系數(shù)整體有著明顯的減小。當(dāng)錨鏈剛度由1.73E7N增加到8.5E8N時(shí)，透射系數(shù)減小稍有減小，在相對(duì)間距為1.01時(shí)幾乎重合。綜合以上分析，可以得到錨鏈剛度在一定范圍內(nèi)越大，浮堤的消浪能力越好。

2.3前后箱間距對(duì)透射系數(shù)的影響

研究不同間距對(duì)透射系數(shù)的影響時(shí)，已有學(xué)者對(duì)兩浮堤間距為0.5w、1w及1.5w（w為浮堤寬度）時(shí)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)分別取三個(gè)周期T1=7.47s、T2=8.27s及T3=8.9s對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4、1/2、1/3、1倍作為兩浮箱之間的間距。此時(shí)兩浮堤的間距依舊按照前面的定義，為前堤背浪面與后堤迎浪面之間的凈間距。由計(jì)算結(jié)果可以看出，三個(gè)周期中，在周期較短T=7.47s并且間距半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)消浪效果最為明顯;同周期下兩浮箱間距半個(gè)波長(zhǎng)或者一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)有著相對(duì)較低的透射系數(shù)，前后浮堤間距增大，透射系數(shù)先減小后增加再減小。這是因?yàn)椋趦上湎嗑?/4L或者3/4L時(shí)，總是有一個(gè)波峰或者波谷作用在其中一個(gè)浮箱上，波浪較容易透過(guò)浮堤，透射系數(shù)較大。同理，在兩浮箱相距1/2L、L時(shí)，波峰或波谷在兩箱之間，浮堤阻擋作用較強(qiáng)而透射作用則相對(duì)較弱，所以透射系數(shù)較小。

3 結(jié)論

本文利用數(shù)值軟件AQWA對(duì)不同條件下的雙浮堤的消浪特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了錨鏈剛度、后箱吃水深度及前后箱間距對(duì)雙浮堤的透射系數(shù)的影響，分析了雙浮堤的透射系數(shù)的變化規(guī)律，本文結(jié)果可為浮式防波堤的工程設(shè)計(jì)提供一定參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]王環(huán)宇. 多孔浮式防波堤的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].大連理工大學(xué)，2010.

[2]徐樹(shù)鵬. 板—箱組合浮式防波堤構(gòu)型設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 2017.

[3]王志磊. 多道浮式防波堤的水動(dòng)力性能分析[D].江蘇科技大學(xué)，2017.

[4]Alizadeh， M.J， Kolahdoozan. Experimental study of the performance of floating breakwaters with heave motion. Civil Engineering Infrastructures Journal，2014，47（ 1） ： 59～70

[5]Pangalila F V， Martin J P. A method of estimating line tension and motions of asemi-submersible based on empirical data and model basis results[C].OTC，1969; 2：90-96.