新型捕能消波浮式防波堤數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究*

鮑靈杰，彭天好,黃方平，張 雷，林 躦

(1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100)

隨著現(xiàn)代港口建設(shè)不斷向深水處發(fā)展，傳統(tǒng)的防波堤越來(lái)越難以適應(yīng)深水的條件。浮式防波堤作為一種新型防波堤結(jié)構(gòu),有利于水體的交換，對(duì)沉積物和生態(tài)環(huán)境影響較小，工程造價(jià)受水深影響小，地基適應(yīng)性強(qiáng)，施工拆除相對(duì)方便，更適用于潮差大、土層松軟的海域。因此，浮式防波堤具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。

浮式防波堤結(jié)構(gòu)多種多樣，目前基本類型主要有浮筒式、浮箱式、水平板式等，為了提高浮式防波堤的消波效果，也有在基本結(jié)構(gòu)形式上加以改進(jìn)，通常采用増加反射面積、増?jiān)O(shè)阻尼結(jié)構(gòu)等措施。多浮箱式浮式防波堤與單浮箱式浮式防波堤相比，消波性能增加。沈雨生等[4-5]對(duì)雙浮箱式浮式防波堤進(jìn)行了二維波浪物理模型試驗(yàn)，分析了浮箱寬度、前后浮箱連接方式、前后浮箱間距以及浮箱入水深度等因素對(duì)浮式防波堤消浪性能的影響。嵇春艷等[6-8]結(jié)合風(fēng)力發(fā)電、波浪能發(fā)電及消波的性能，采用STAR-CCM+數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了水輪機(jī)式浮式防波堤。汪宏等[9]針對(duì)柔性浮式防波堤對(duì)短波、長(zhǎng)波均有較好掩護(hù)效果的優(yōu)點(diǎn)，研究垂簾式浮式防波堤對(duì)短波、長(zhǎng)波的良好消波效果。徐洪彬[10]研究得出相對(duì)寬度是影響浮式防波堤的主要因素，柔性浮堤的消波性能隨相對(duì)寬度增加而明顯減小，于相對(duì)寬度為0.3附近趨于穩(wěn)定。陳俊華等[11-12]研究了在低流速潮流能下的發(fā)電裝置槳葉的捕能性能并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于浮式防波堤的研究，大多通過(guò)相對(duì)深度、相對(duì)寬度等因素來(lái)分析浮式防波堤的透射系數(shù)、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、消波機(jī)理等，并且savonius型槳葉大多用于風(fēng)力發(fā)電、少部分用于低流速潮流能發(fā)電。而對(duì)于浮式防波堤應(yīng)用于深遠(yuǎn)海智慧海洋牧場(chǎng)、實(shí)現(xiàn)能夠自供給捕能的的消波性能研究較少。因此，本文研究新型捕能消波浮式防波堤的兩種槳葉布置形式在捕能情況下的消波性能，評(píng)價(jià)浮式防波堤的綜合性能，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)于捕能消波浮式防波堤的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 數(shù)值模擬試驗(yàn)

1.1 新型捕能消波浮式防波堤概況

新型捕能消波浮式防波堤包括savonius型槳葉組、HDPE浮管組。savonius型槳葉組按一定密度通過(guò)鐵皮條系泊懸掛在HDPE浮管下，savonius型槳葉組之間亦通過(guò)空心軸連接在一起，形成網(wǎng)狀陣列分布式發(fā)電系統(tǒng)；HDPE浮管組包括2根HDPE浮管及其連接支架，通過(guò)纜繩柔性系泊在樁基上。浮式防波堤見圖1。

圖1 浮式防波堤

參照工程背景實(shí)際情況和試驗(yàn)設(shè)備條件，模型按照1:5 的幾何比尺進(jìn)行設(shè)計(jì)。浮式防波堤的浮體幾何參數(shù)為：浮筒直徑0.33 m，浮筒間距0.65 m，浮筒與槳葉中心間距0.7 m，浮堤長(zhǎng)度3 m，槳葉直徑0.5 m，葉片半徑0.15 m，槳葉高0.61 m。

1.2 控制方程

捕能消波浮式防波堤的數(shù)值模擬采用STAR-CCM+軟件，假設(shè)流體不可壓縮，黏性系數(shù)不變，控制方程為納維-斯托克斯方程、自由液面方程和連續(xù)方程。沿x、y、z共3個(gè)方向的動(dòng)量守恒[13]：

(1)

(2)

(3)

式中:ρ為流體的密度；t為時(shí)間；u、v、w為沿x、y、z方向的速度分量；p為流體壓強(qiáng)；μ為黏度；S為邊界條件。

1.3 湍流模型

在試驗(yàn)中，當(dāng)波浪遇到浮式防波堤時(shí)，波浪會(huì)發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)。RNGk-ε模型運(yùn)用了重整化群的數(shù)學(xué)方法，計(jì)算中考慮了平均流動(dòng)中旋轉(zhuǎn)流動(dòng)狀況和小尺度影響。故本文模擬中選擇RNGk-ε模型，其耗散率(turbulent dissipation rate)中的ε為：

(4)

1.4 邊界條件及初始條件設(shè)置

邊界條件的設(shè)置為整個(gè)流域規(guī)劃出一個(gè)區(qū)間，包括速度入口、壓力出口、壁面。一般地，運(yùn)動(dòng)學(xué)的邊界條件為：

(5)

(6)

初始條件主要是初始時(shí)刻自由液面的位置、速度場(chǎng)的分布、槳葉的初始速度等，研究周期性波浪運(yùn)動(dòng)時(shí)，初始條件不會(huì)影響穩(wěn)定后的計(jì)算結(jié)果，但對(duì)計(jì)算量有一定的影響。

φ|t=0=f1(x,y),z=η(x,y,0)

(7)

(8)

1.5 網(wǎng)格參數(shù)設(shè)定

網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)定主要包括網(wǎng)格基本尺寸和網(wǎng)格類型。數(shù)值模擬連續(xù)體網(wǎng)格模型選擇切割體網(wǎng)格生成器及棱柱層網(wǎng)格生成器。為保證計(jì)算結(jié)果的精確性，在自由液面所能波動(dòng)的范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格加密，一般加密3～4層以保證網(wǎng)格平滑過(guò)渡，網(wǎng)格隨著與自由液面距離的增大而逐漸增大。同時(shí)，由于槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，采用了減運(yùn)算的布爾操作，調(diào)用重疊網(wǎng)格的方式對(duì)減運(yùn)算的網(wǎng)格和背景網(wǎng)格進(jìn)行合理布局，網(wǎng)格數(shù)量大約為50萬(wàn)。網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 槳葉網(wǎng)格劃分

1.6 求解器參數(shù)設(shè)置

為提高計(jì)算精度，采用了二階時(shí)間離散。時(shí)間步長(zhǎng)的確定直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性以及計(jì)算收斂等，時(shí)間步的確定與網(wǎng)格大小有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式Δt=T/(2.4n)確定時(shí)間步長(zhǎng)，其中T表示造波的周期，n表示單位波長(zhǎng)劃分的網(wǎng)格數(shù)。停止條件設(shè)置包括最大迭代次數(shù)、最大物理時(shí)間等。最大迭代次數(shù)可根據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行調(diào)整，最大物理時(shí)間則根據(jù)計(jì)算結(jié)果及殘差是否穩(wěn)定等因素自行確定。

1.7 防波堤水動(dòng)力模型

在笛卡爾坐標(biāo)系下的新型捕能消波浮式防波堤的水動(dòng)力模型配置，由雙浮管和兩組savonius型槳葉組成。為了滿足浮體水動(dòng)力計(jì)算的要求，簡(jiǎn)化求解過(guò)程，模型縮短了HDPE浮管長(zhǎng)度及槳葉個(gè)數(shù)，把savonius型槳葉設(shè)置成與雙浮筒相對(duì)位置固定且葉片軸線與坐標(biāo)系x軸呈90°的形式。兩種方案見圖3。

圖3 槳葉水動(dòng)力模型

模型選擇三維、隱式不定常、歐拉多相流、湍流、狀態(tài)多項(xiàng)方程、VOF波等。模擬介質(zhì)包括水和空氣兩項(xiàng)，通過(guò) VOF 模型捕捉自由液面。阻尼消波距離為波長(zhǎng)的1～2倍。浮式防波堤水動(dòng)力參數(shù)為：水深5 m，吃水深度1.7 m，HDPE浮體密度0.95 kgm3，槳葉排水量10 kg，槳葉慣性矩(0.337,0.337,0.16)kg·m2。

1.8 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

為了簡(jiǎn)化模型、提高計(jì)算效率，忽略了浮式防波堤的六自由度運(yùn)動(dòng)，對(duì)浮式防波堤采用固定方式，槳葉則運(yùn)用了STAR-CCM+的DFBI，開放了一個(gè)繞z軸旋轉(zhuǎn)的自由度，槳葉在波浪作用下自由旋轉(zhuǎn)，其數(shù)值模擬組次見表1。經(jīng)過(guò)數(shù)字模擬計(jì)算，最大內(nèi)部迭代5步，計(jì)算20 s以后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。根據(jù)STAR-CCM+獲得的數(shù)據(jù)求平均值，平均轉(zhuǎn)速、平均轉(zhuǎn)矩見表2。

捕能消波浮式防波堤的兩種槳葉布置形式獲得的平均轉(zhuǎn)速、平均轉(zhuǎn)矩見表2。

表1 數(shù)值模擬組次

表2 兩種槳葉布置形式的平均轉(zhuǎn)速和平均轉(zhuǎn)矩

數(shù)值模擬的槳葉所獲得的功率為槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)的平均轉(zhuǎn)矩與平均轉(zhuǎn)速的乘積，見圖4。垂直槳葉布置捕獲功率略大于并列槳葉布置的浮式防波堤。由于并列槳葉對(duì)于在波浪傳遞過(guò)程中2次消波，透射系數(shù)(圖5)也比垂直槳葉布置的浮式防波堤小，消波性能略好。

圖4 防波堤捕獲功率

圖5 防波堤透射系數(shù)

2 物理試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

整個(gè)試驗(yàn)研究以70 m 長(zhǎng)、4 m 寬、2 m深的試驗(yàn)水池為基礎(chǔ)，試驗(yàn)總體方案見圖6。搖板式造波機(jī)可產(chǎn)生波形穩(wěn)定、可重復(fù)的規(guī)則波。槳葉通過(guò)傳動(dòng)裝置傳動(dòng)，發(fā)電機(jī)當(dāng)負(fù)載。傳感器采集浮式防波堤的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要測(cè)量?jī)x器為波高儀、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器。試驗(yàn)布置見圖7。

圖6 試驗(yàn)總體方案

圖7 試驗(yàn)布置

2.2 試驗(yàn)設(shè)置

水池造出不同周期的線性波，系泊方式為多點(diǎn)張緊式，波高儀分別設(shè)置于浮式防波堤前后1～2個(gè)波長(zhǎng)處。捕能槳葉入水深度為0.7 m，通過(guò)改變槳葉布置，分析不同槳葉布置的防波堤性能。考慮到初始波浪的撞擊與破碎，采集時(shí)間在40 s以上，規(guī)則波試驗(yàn)的波浪數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔小于平均波周期的120，采集頻率為50 Hz。在波浪穩(wěn)定條件下，連續(xù)采集的波浪個(gè)數(shù)大于10個(gè)，并取其平均值作為代表值。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

浮式防波堤試驗(yàn)通過(guò)模擬時(shí)變的波浪海況，測(cè)試浮式防波堤在整個(gè)工作周期前后的消波情況和捕能功率，綜合評(píng)價(jià)該防波堤的兩種槳葉布置形式在不同波浪周期下的水動(dòng)力性能。

浮式防波堤懸掛的槳葉通過(guò)傳動(dòng)裝置測(cè)得平均轉(zhuǎn)速、平均轉(zhuǎn)矩見表3，轉(zhuǎn)速低于10 rmin以下的槳葉幾乎不捕獲有效的能量，只起到一定程度的消波作用。

表3 傳動(dòng)裝置測(cè)得的平均轉(zhuǎn)速和平均轉(zhuǎn)矩

捕獲功率為所測(cè)得的平均轉(zhuǎn)矩與平均轉(zhuǎn)速的乘積見圖8，由圖8可知捕獲功率隨著相對(duì)入水深度逐步上升，再逐漸下降。由表3可知，引起功率大小變化的主要因素為平均轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時(shí)，功率也較大。

圖8 防波堤捕獲功率

透射系數(shù)為透射波與入射波的比值，透射系數(shù)越小則消波性能越佳。浮式防波堤透射系數(shù)見圖9。槳葉并列布置消波性能優(yōu)于垂直布置。

圖9 防波堤透射系數(shù)

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)與物理試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖4、8可知，在槳葉入水深度不變的情況下，捕獲功率隨著相對(duì)入水深度的增加先上升后下降。而相對(duì)入水深度為入水深度與波長(zhǎng)的比值。波浪傳播公式為：

v=λf

(9)

式中：v為波速；λ為波長(zhǎng)；f為頻率。當(dāng)槳葉捕獲功率較大時(shí)，從表4可知，槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與波浪頻率相近時(shí)，周期大約在1.6 s。

表4 頻率比較

由圖5、9可知，在防波堤寬度不變的的情況下，透射系數(shù)隨著相對(duì)寬度的增大而略有上升，之后開始大幅度下降，符合大部分學(xué)者關(guān)于浮式防波堤的試驗(yàn)結(jié)果?？傮w來(lái)看，槳葉并列布置的的浮式防波堤消波性能優(yōu)于槳葉垂直布置的浮式防波堤。

4 結(jié)論

1)對(duì)于新型捕能消波浮式防波堤的兩種不同槳葉布置形式，當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與波浪頻率相近時(shí)，savonius型槳葉捕能效果較好，不同槳葉安裝位置的防波堤會(huì)影響捕能效果的優(yōu)劣，有進(jìn)一步研究和應(yīng)用的價(jià)值。

2)通過(guò)研究槳葉垂直布置和并列布置的浮式防波堤可知，兩種形式的浮式防波堤波浪透射系數(shù)在0.20～0.75，從消波性能上看，兩種浮式防波堤都有一定的消波效果，但是并列槳葉布置的浮式防波堤消波性能優(yōu)于垂直布置的浮式防波堤。