V形柔性浮式防波堤消波特性研究*

冉小林 王 彬 段文杰 陳 凱 甘 進(jìn)*

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢長江航道救助打撈局2) 武漢 430014)(武漢速安達(dá)建筑橡塑制品有限公司3) 武漢 430300)

0 引 言

浮式防波堤與其他傳統(tǒng)防波堤相比，可適應(yīng)水深較大、地基軟弱、大潮差等水域，在港口海岸工程、海洋工程以及海水養(yǎng)殖等諸多領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景.其中柔性浮式防波堤由充水和充氣囊體組成，其自身結(jié)構(gòu)重量輕、儲備運(yùn)輸空間小，并且展開撤收速度快，在臨時(shí)浮式防波堤方面具有較好的應(yīng)用價(jià)值.

現(xiàn)階段對浮式防波堤的研究主要集中在防波堤的消波特性及防波堤新型結(jié)構(gòu)上.Ataur等[1]利用水槽實(shí)驗(yàn)研究了不同錨纜系統(tǒng)、不同水深、不同波浪周期等條件下浮式防波堤的水動(dòng)力性能.Abdullah等[2]通過遺傳算法(GA)對雙浮式防波堤水動(dòng)力性能進(jìn)行了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).Nikpour等[3]采用二維波浪水槽試驗(yàn)對梯形浮式防波堤在深水規(guī)則波的衰減性能進(jìn)行了綜合試驗(yàn)研究.Christensen等[4]研究了帶翼板和兩側(cè)附有的多孔材質(zhì)對浮式防波堤反射和透射的影響.丁寧等[5]基于線性勢流理論采用數(shù)值方法研究了V形浮式防波堤幾何參數(shù)對其消波效果的影響.針對柔性浮式防波堤，現(xiàn)階段的主要研究方法是通過模型試驗(yàn)的方法，何成圓等[6]針對一種由單囊體組合而成的柔性浮式防波堤，分析了此防波堤的消浪機(jī)理.楊浩[7]針對一種層鋪式柔性浮式防波堤，通過物理模型的水池規(guī)則波試驗(yàn)，研究分析了此防波堤的相對寬度、波陡、上部浮板、波浪繞射等因素對防波堤的透射系數(shù)、反射系數(shù)、繞射特性以及防波堤的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈系泊力的影響.汪宏等[8]針對一種圓木阻尼式柔性浮式防波堤，通過二維水槽中的規(guī)則波物理模型試驗(yàn)，研究分析了該柔性浮式防波堤在有無浮板時(shí)的消浪性能.仇正中等[9]針對圓柱形柔性浮式防波堤的消浪特性，進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，研究分析其在規(guī)則波和不規(guī)則波作用下的消浪特性，通過大量水槽試驗(yàn)給出了圓柱形柔性浮式防波堤透射系數(shù)、反射系數(shù)、衰減系數(shù)與錨固方式、試驗(yàn)水深、相對寬度的變化關(guān)系.

文中采用模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法對一種截面為圓形的V形柔性浮式防波堤的消波特性進(jìn)行研究.在ANSYS-AQWA的線性三維輻射衍射模塊[10-11]中建立了柔性浮式防波堤的數(shù)值計(jì)算模型，在頻域內(nèi)研究了防波堤的消浪性能，討論并分析了此數(shù)值方法的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系，提出采用此數(shù)值計(jì)算方法來評估柔性浮式防波堤消浪性能的可行性.

1 分析模型及分析方法

1.1 分析模型

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D1，消波裝置主要由下部主水囊和上部為水囊提供浮力的兩個(gè)氣囊組成，單個(gè)浮體總長4 m，下部水囊直徑 0.4 m，上部氣囊直徑為0.1 m.試驗(yàn)中采用了兩種布置方式：①V形布置，即兩水囊一端相連，形成V形結(jié)構(gòu)，V形首部正對著波浪入射方向，V形的夾角分別為30°，45°和60°;②單水囊迎浪橫向布置.

數(shù)值計(jì)算模型采用前期開展的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?由于試驗(yàn)過程中水池寬度為10.8 m，防波堤在水池寬度方向上的最大尺寸為4 m，相較于水池寬度，模型尺寸較小，且水池壁面上安裝了消浪裝置，以此避免波浪傳遞到水池壁面后反射波對試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠绊?，因此在?shù)值模擬過程中，忽略水池壁面對防波堤計(jì)算模型的影響，數(shù)值計(jì)算模型見圖2.

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

考慮錨泊系統(tǒng)對防波堤消波效果的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中錨泊纜繩的布置方式，數(shù)值計(jì)算模型纜繩布置情況見圖3.試驗(yàn)過程中水池水深為2 m，因此數(shù)值模型計(jì)算水深設(shè)為2 m，迎浪方向?yàn)閄軸正向.由于防波堤下部主囊體為水囊，實(shí)際消波過程中，下部水囊完全浸沒于水中，依靠上部提供浮力的氣囊保證消波裝置的正常漂浮，因此試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算中結(jié)構(gòu)的吃水為0.4 m，同時(shí)，實(shí)際消波過程中上部的氣囊也參與了消波，圖4為柔性浮式防波堤截面示意圖.

圖3 防波堤錨泊纜繩布置情況

圖4 柔性浮式防波堤截面示意圖

1.2 數(shù)值分析方法

ANSYS WORKBENCH AQWA將AQWA的各個(gè)主要模塊集成在Hydrodynamic Diffraction和Hydrodynamic Response模塊中，功能完備，界面非常友好，易于操作.其Hydrodynamic Diffraction模塊主要進(jìn)行浮體的輻射衍射分析，可計(jì)算得到浮體的相關(guān)水動(dòng)力系數(shù)、浮體的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題，以及波浪傳遞給浮體的表面壓力等.Hydrodynamic Response模塊可以進(jìn)行浮體的平衡分析，在輻射衍射分析基礎(chǔ)上給浮體結(jié)構(gòu)添加錨泊系統(tǒng)，可計(jì)算得到錨泊狀態(tài)下浮體的靜水平衡位置、錨泊纜繩的張力，以及進(jìn)行浮體的靜穩(wěn)性分析.

由于在Hydrodynamic Diffraction中系泊纜繩無法參與計(jì)算，如需考慮錨泊系統(tǒng)對防波堤消波效果的影響，可以在輻射衍射分析模塊的Connection菜單中添加連接剛度考慮系泊系統(tǒng)的影響.本文柔性浮式防波堤首先在Hydrodynamic Diffraction模塊進(jìn)行輻射衍射分析，然后在Hydrodynamic Response模塊進(jìn)行平衡分析并且提取錨泊剛度后添加到Hydrodynamic Diffraction模塊再進(jìn)行輻射衍射分析，最后采用AQWAGS進(jìn)行后處理，輸出沿波浪入射方向波浪幅值的變化曲線，通過提取波前和波后的波浪幅值，就可得到防波堤的消波效率.

AQWA進(jìn)行輻射衍射分析是純線性分析，計(jì)算的是規(guī)則波浪下的自由液面高度，最終輸出的結(jié)果是波幅值隨入射波方向的位置關(guān)系曲線.由公式H=Asin 2πft可知波面只是某一相位的函數(shù)，而波高幅值A(chǔ)是穩(wěn)定不變的，輸出的幅值可代表此坐標(biāo)位置的波高值.由波浪幅值隨入射波方向的位置關(guān)系曲線可得到堤前入射波高Hi和堤后平穩(wěn)的波浪幅值Ht，進(jìn)行相比得到波浪的透射系數(shù)Kt=Ht/Hi,繼而得到了防波堤的消波效率η=(1-Kt)×100%，即可表示柔性浮式防波堤的消波效果.

2 結(jié)果分析

試驗(yàn)中，通過在防波堤堤前和堤后布置的多個(gè)浪高儀，可測量出試驗(yàn)過程中防波堤堤前入射波高Hi和堤后平穩(wěn)的波浪幅值Ht，通過計(jì)算便可得到防波堤的消波效率，圖5為試驗(yàn)過程中進(jìn)行堤前和堤后波高幅值的測量.

圖5 試驗(yàn)中波高幅值的測量

利用AQWA分別建立夾角為30°，45°，60°的V形布置方式和單一囊體迎浪橫向布置的計(jì)算模型，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較，驗(yàn)證此仿真方法的可行性和準(zhǔn)確性.在計(jì)算消波效率時(shí)，使用AQWAGS打開模型的輻射衍射分析計(jì)算結(jié)果，得到波高幅值云圖，見圖6.提取波浪幅值沿波浪方向(即X軸負(fù)向)的變化曲線，可得到堤后的波高幅值，便可計(jì)算得到防波堤的消波效率，見圖7.由圖7可知，60°夾角布置方式下V形柔性浮式防波堤在波高0.075 m和波浪周期1.342 s的規(guī)則波作用下，波幅隨X軸的位置變化曲線，曲線的橫坐標(biāo)為沿波浪入射方向X軸的各點(diǎn)坐標(biāo)值，縱坐標(biāo)為各點(diǎn)對應(yīng)的波幅值，為入射波、衍射和輻射波的總和.圖7中的波高幅值變化曲線是有波動(dòng)的曲線，是因?yàn)樵诜抡娣治鲋杏捎谌肷浜头瓷涞炔煌ǖ寞B加導(dǎo)致每個(gè)位置的波幅都有輕微的變化，導(dǎo)致曲線有些波動(dòng)，以至于堤前的曲線類似于正弦的曲線，但是能明顯的觀察到堤后的波幅值要明顯的小于堤前的波幅值，并隨X軸坐標(biāo)值的減小趨于穩(wěn)定.根據(jù)結(jié)果顯示，堤前的大多位置的波幅值都大于實(shí)際計(jì)算設(shè)置的入射波的波幅值0.075 m，這是由于入射波與堤前反射波疊加導(dǎo)致的.

圖6 波高幅值云圖

圖7 波浪幅值沿波浪方向變化曲線

為了研究柔性浮式防波堤的消波機(jī)理以及為柔性浮式防波堤設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考，將主要探究不同波浪周期對柔性浮式防波堤消波效果的影響，不同波高對柔性浮式防波堤消波效果的影響，以及不同布置方式對柔性浮式防波堤消波效果的影響.同時(shí)，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證此數(shù)值仿真方法的可行性和準(zhǔn)確性.

2.1 波浪周期對防波堤消波效果的影響

試驗(yàn)和數(shù)值分別計(jì)算了波高0.075 m、波浪周期T=1.118，1.342，1.565，1.789 s下柔性浮式防波堤的消波效率，見圖8.

圖8 波浪周期對消波效率的影響

數(shù)值和試驗(yàn)結(jié)果表明，不同布置方式下防波堤消波效率都隨波浪周期的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在周期T=1.342 s時(shí)的消波效果最好.從整體數(shù)值計(jì)算結(jié)果上看，數(shù)值模擬計(jì)算得出的消波效率較物理試驗(yàn)結(jié)果普遍偏小，其誤差值在6%～15%，這是由于物理試驗(yàn)存在能量損耗，包括自然消耗和試驗(yàn)水池等試驗(yàn)設(shè)施對波浪能的消耗，然而在數(shù)值仿真中只有防波堤能吸收波浪能量，外界不吸收波能，以及試驗(yàn)中波浪產(chǎn)生的摩擦破碎所消耗的部分能量在數(shù)值仿真中無法考慮.再加上試驗(yàn)中防波堤采用的是充壓水囊，是柔性結(jié)構(gòu)，波浪作用于防波堤時(shí)會導(dǎo)致囊體有明顯的變形，會吸收掉部分的波浪能，而在AQWA數(shù)值計(jì)算分析中，計(jì)算模型是以剛體結(jié)構(gòu)考慮的，波浪作用于防波堤時(shí)，結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生變形而消耗掉部分波浪能，以至于數(shù)值計(jì)算得到的消波效率較試驗(yàn)結(jié)果普遍較小.

2.2 波高對防波堤消波效果的影響

通過計(jì)算波浪周期T=1.342 s不同布置方式下，不同波高對柔性浮式防波堤消波效果的影響曲線，發(fā)現(xiàn)隨著波高的增大，四種布置方式下防波堤的消波效率都有相對的減小，但差別不大，見圖9.在數(shù)值分析中，這主要因?yàn)锳QWA的輻射衍射分析中求的解是單位波高的解，而后處理中是根據(jù)設(shè)置的不同波高值來乘以相應(yīng)的系數(shù).試驗(yàn)中，由于測量和試驗(yàn)中不可控制的外界因數(shù)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果個(gè)別點(diǎn)有些差異，但整體上變化趨勢與數(shù)值結(jié)果相同，隨著波高的增加，消波效率只是有相對的減小，但數(shù)值上相差不大.將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較分析發(fā)現(xiàn)，整體上數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的相關(guān)性，不同波高下數(shù)值計(jì)算得到的消波效率較試驗(yàn)結(jié)果偏小，其誤差值在6%～15%.

圖9 波高對消波效率的影響

2.3 布置方式對防波堤消波效果的影響

圖10～11分別為不同布置方式下波浪周期和波高對防波堤消波效果的影響曲線，從整體上看，在同等波浪工況下，V形布置防波堤的消波效果優(yōu)于迎浪橫向布置防波堤的消波效果.V形布置防波堤在同波浪工況下，夾角為45°和60°的V形防波堤的消波效果優(yōu)于夾角為30°的防波堤，夾角為60°的防波堤消波效果最好.V形布置的防波堤，在一定程度上對波浪起到了分離的作用，從而改變了波浪的傳播方向，實(shí)現(xiàn)對防波堤遮蔽區(qū)域的保護(hù)作用，以至于V形布置防波堤的消波效果比迎浪橫向布置較好.但同時(shí)由于夾角相對較小時(shí)，防波堤對波浪的分離較差，且波浪在防波堤端部引起的回流、湍流和紊流對遮蔽區(qū)域影響較大，導(dǎo)致小夾角防波堤的遮蔽區(qū)域以及堤后的消波效果相對較差.

圖10 不同布置方式下周期對消波效率的影響

圖11 不同布置方式下波高對消波效率的影響

3 實(shí)際模型計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型及計(jì)算工況

前面的試驗(yàn)和數(shù)值仿真模型尺寸是根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)按一縮尺比縮小得到的，針對工程實(shí)際應(yīng)用的柔性浮式防波堤結(jié)構(gòu)尺寸，建立其AQWA數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算分析實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸及工況下柔性浮式防波堤的消波特性.根據(jù)國際通常的海洋工程試驗(yàn)縮尺比60～80的原則，同時(shí)又為發(fā)揮拖曳水池的優(yōu)勢、減小尺度效應(yīng)以及方便實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，前面開展的實(shí)驗(yàn)縮尺比λ設(shè)定的為20，進(jìn)而根據(jù)縮尺比來確定的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽纾矗?/p>

式中：L，B，d，H，T分別為防波堤的長、寬、吃水以及波高和周期等波浪參數(shù).

實(shí)際模型單個(gè)浮體總長80 m，下部水囊直徑8 m，上部氣囊直徑為2 m，結(jié)構(gòu)吃水8 m，計(jì)算水深也按縮尺比λ進(jìn)行縮放，實(shí)際模型計(jì)算水深為40 m，計(jì)算模型和錨泊纜繩布置情況見圖12.同時(shí)也分別計(jì)算了兩種布置方式，一種為V 形布置， V形的夾角分別為30°，45°和60°，另一種為單囊體迎浪橫向布置.

圖12 實(shí)體計(jì)算模型及錨泊纜繩布置情況

實(shí)體模型計(jì)算工況根據(jù)縮尺比換算得到，計(jì)算工況見表1.

表1 實(shí)體模型計(jì)算工況

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

進(jìn)行實(shí)體模型的輻射衍射分析，通過AQWAGS得到實(shí)體模型的計(jì)算結(jié)果，圖13～14分別為45°夾角布置方式下V形柔性浮式防波堤在波高1.5 m和波浪周期6 s的規(guī)則波作用下，實(shí)體模型波高幅值云圖以及波幅隨入射波方向X軸的位置關(guān)系曲線.從計(jì)算結(jié)果可以看出，堤后的波幅值要明顯的小于堤前的波幅值，防波堤具有較好的消波效果，通過防波堤對波浪進(jìn)行衰減后，堤后的波浪幅值逐漸趨于穩(wěn)定，并且在其遮蔽區(qū)域消波效果較好.

圖13 實(shí)體模型波高幅值云圖

圖14 實(shí)體模型波浪方向波高幅值變化曲線

實(shí)體模型分別計(jì)算了波高1.5 m波浪周期T=5，6，7，8 s的不同布置方式下防波堤的消波效果，見圖15a)，與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)值計(jì)算結(jié)果相比，見圖15b)，從計(jì)算結(jié)果整體上看，實(shí)體模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果與前面的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)值計(jì)算結(jié)果具有較好的相關(guān)性以及吻合性，除了橫向布置下的消波效果隨波浪周期的增加呈遞減趨勢，其它布置方式下消波效果隨波浪周期的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在周期T=6 s時(shí)的消波效果最好，而后減小.在夾角為30°和60°的布置方式下，實(shí)體模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)值結(jié)果吻合較好，可視為等效，其夾角45°和橫向布置方式的結(jié)果值雖然與試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算結(jié)果有一定的差異，但變化趨勢及規(guī)律總體相同.由于實(shí)體模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷g的相關(guān)尺寸及載荷等參數(shù)是通過縮尺比換算得到的，其計(jì)算模型結(jié)構(gòu)之間必然存在尺度效應(yīng)，再加上計(jì)算工況以及錨鏈等參數(shù)間的換算等因數(shù)都對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響.

圖15 不同布置波浪周期對消波效率的影響

同樣在實(shí)體模型中，計(jì)算了波浪周期為6 s，不同布置方式下不同波高對防波堤消波效果的影響曲線，見圖16a)，發(fā)現(xiàn)隨著波高的增大，四種布置方式下防波堤的消波效率都有相對的減小，但差值別不大，與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)值計(jì)算結(jié)果相似.同樣是因?yàn)锳QWA的輻射衍射分析中求的解是單位波高的解，而后處理中是根據(jù)設(shè)置的不同波高值乘以相應(yīng)的系數(shù).

圖16 不同布置波高對消波效率的影響

通過圖15a)和圖16a)的實(shí)體模型在不同布置方式下消波效率隨波浪周期和波高的變化曲線可以看出，夾角為60°的V形柔性浮式防波堤的消波效果優(yōu)于其它布置方式，在工程實(shí)際過程中，其為首先結(jié)構(gòu)形式，并隨著夾角的減小，V形柔性浮式防波堤的消波效果也相應(yīng)的降低.

4 結(jié) 論

1) 不同布置方式下柔性浮式防波堤的消波效率隨波浪周期的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，防波堤對短周期波消波效果較好，在周期T=1.342 s時(shí)的消波效果最好.

2) 由于AQWA的輻射衍射分析中求的解是單位波高的解，而后處理中是根據(jù)設(shè)置的不同波高值乘以相應(yīng)的系數(shù)，以至數(shù)值分析中波高對防波堤消波效果的影響較小，隨著波高的增大，其值只是相對的減小，但差值不大.

3) 數(shù)值模擬計(jì)算得到的消波效率較物理試驗(yàn)結(jié)果普遍偏小，其誤差值在6%～15%.

4) 夾角為45°和60°的V形柔性浮式防波堤的消波效果優(yōu)于夾角為30°和單一囊體迎浪橫向布置的柔性浮式防波堤，夾角為60°的防波堤消波效果最好.

5) 夾角為60°的V形柔性浮式防波堤的消波效果優(yōu)于其他布置方式，在工程實(shí)際過程中，其為首先結(jié)構(gòu)形式，并隨著夾角的減小，V形柔性浮式防波堤的消波效果有相應(yīng)的降低.