T型浮式防波堤水動力特性的數(shù)值模擬研究

焦文翰，季新然,,3，陽志文，王道儒

(1. 海南大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228;2. 海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院，海南 ?？?571126; 3. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024;4. 交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院 港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室,天津 300456)

浮式防波堤作為傳統(tǒng)的坐底式防波堤的一種新型替代方案，越來越多地被用于保護(hù)海岸、港口和海洋結(jié)構(gòu)物免受波浪襲擊.與坐底式防波堤相比，在結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)方面具有天然優(yōu)勢，在深水區(qū)尤其具有競爭力[1-4].隨著海洋工程的持續(xù)發(fā)展，浮式防波堤具有廣闊的應(yīng)用前景.

近年來，國內(nèi)外陸續(xù)進(jìn)行了浮式防波堤相關(guān)的研究.Murali[5]等提出了一種雙Y型防波堤，并研究了錨鏈剛度、預(yù)張力等對透射系數(shù)的影響，研究表明此形式浮式防波堤的透射系數(shù)可達(dá)到0.5以下.Ji[6]等提出網(wǎng)衣雙圓筒結(jié)構(gòu)的防波堤，結(jié)果表明帶有網(wǎng)衣的防波堤對長波和高波有著良好的消波性能.董國海[7]等提出了一種板-網(wǎng)式浮式防波堤，并對其進(jìn)行了物理模型試驗，試驗結(jié)果表明增加網(wǎng)衣和平板剛度可有效提高消浪效果.Duan[8]等提出了一種F型浮式防波堤，并進(jìn)行了試驗和數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明當(dāng)模型寬度與波長之比大于0.18時，透射系數(shù)小于0.5.Xiao[9]等設(shè)計了一種兩層多孔板式浮式防波堤，試驗結(jié)果表明板的開孔率越小，消波性能越好.Il-Hyoung[10]研究了入射波與帶有垂直多孔側(cè)板矩形浮式防波堤之間的相互作用，研究表明側(cè)板長度增加，透射系數(shù)減小.任慧龍[11]等利用AQWA研究了淺水條件下單浮箱浮式防波堤的錨泊系統(tǒng)，得出了不同錨鏈拖地長度和預(yù)張力的最優(yōu)錨泊系統(tǒng)，但并未研究浮式防波堤的壓力分布情況.Zhang[12]等對倒π型浮式防波堤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出了一種L型浮式防波堤，并利用數(shù)值模擬和試驗結(jié)果進(jìn)行比對，結(jié)果表明L型板的寬度對消波性能具有較大影響.余潔[13]等設(shè)計了一種雙浮筒槳葉浮式防波堤，并進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明浮筒間距越接近波長，消波性能越好，但并未進(jìn)行物模試驗對比研究.Liu[14]等提出了一種帶翼盒式浮式防波堤，并進(jìn)行水動力研究，研究結(jié)果表明給矩形防波堤加上翼板能有效提升消波性能.孫笠[15]等對帶后彎管的浮式防波堤進(jìn)行了試驗研究，研究結(jié)果表明彎管數(shù)量增多消波效果提升，錨鏈力相對較小.侯勇[16]等對矩形單箱式浮式防波堤進(jìn)行物理實驗研究，研究表明在實驗條件下，隨著矩形浮箱寬度的增大，透射系數(shù)隨之減小.Li[17]等對弧板式防波堤消浪性能影響因素進(jìn)行數(shù)值研究，研究表明當(dāng)相對板寬大于0.22時，透射系數(shù)可以保持在0.5以下.董華洋[18]等對浮箱式防波堤進(jìn)行研究，探討了相對寬度等對錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊?，研究表明錨鏈?zhǔn)芰﹄S著相對寬度的增大而減小.Mizutani[19]等通過試驗研究了矩形多孔浮式防波堤水動力特性，研究表明當(dāng)開孔率為25%～40%時有較好的消波性能.Koraim[20]等研究了垂向插板對浮式防波堤消浪效果的影響，結(jié)果表明隨著垂向插板數(shù)量的增加，消波效果提升，當(dāng)布置4個垂向插板時透射系數(shù)可小于0.25.Nikpour[21]等探討了梯形浮式防波堤在規(guī)則波作用下的消波性能，結(jié)果表明梯形浮式防波堤相對于矩形浮式防波堤有更好的消波性能.

基于現(xiàn)有研究可以發(fā)現(xiàn)，浮式防波堤結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)是研究的重點，然而對浮式防波堤的錨鏈?zhǔn)芰安▔毫Ψ植佳芯枯^少.與傳統(tǒng)的浮式防波堤不同，筆者首先通過改變浮式防波堤結(jié)構(gòu)形式，將垂直腹板安裝到箱型防波堤底部，以減小波浪的透射，然后基于水動力軟件AQWA建立數(shù)值模型，對吃水深度、腹板高度和箱體寬度等參數(shù)對浮式防波堤的消浪性能、錨鏈力的變化以及結(jié)構(gòu)所受波壓力的分布情況進(jìn)行研究.研究結(jié)果可為工程設(shè)計提供一定的參考.

1 數(shù)值模型介紹

AQWA是一款用于分析海洋工程結(jié)構(gòu)物水動力性能的專業(yè)軟件，可以對海洋工程結(jié)構(gòu)物進(jìn)行頻域和時域上的水動力分析計算，包括輸出作用在浮式防波堤上的壓力以及所處流場波面升高數(shù)據(jù)，也可以對復(fù)雜的系泊系統(tǒng)進(jìn)行分析計算.

1.1 基礎(chǔ)理論

1.1 1 控制方程在浮式防波堤水動力計算中，采用三維勢流理論.假設(shè)流體為均勻、無旋、不可壓縮的理想流體.則速度勢存在并滿足拉普拉斯方程，在笛卡爾坐標(biāo)系下可表示為

(1)

在笛卡爾坐標(biāo)系o-xyz下，xoy平面與靜水面重合，z軸垂直于水平面向上，于是拉普拉斯方程又可以表示為

(2)

將速度勢代入伯努利方程

(3)

其中，ρ為密度，p為壓力，g為重力加速度.式(3)中右端第一項gz為對p的流體靜壓貢獻(xiàn)，而其余的項為對p的流體動壓貢獻(xiàn).

1.1.2 邊界條件在z=-h(x,y)的海底，流體不可穿透，得到速度勢滿足的底部邊界條件，即

(4)

其中，h為水深.

在自由液面邊界，受到運動學(xué)和動力自由邊界條件的控制.運動學(xué)條件即自由表面的質(zhì)點在某個瞬間還將繼續(xù)保持在自由表面上

(5)

其中，η為自由表面高程.動力自由邊界是假設(shè)自由液面上的壓強(qiáng)是定值且等于大氣壓

(6)

1.2 浮式防波堤數(shù)值模型利用AQWA workbench HD(Hydrodynamic Diffraction)模塊中的DM(Design Modeler)模塊建立如圖1和圖2所示所示的T型浮式防波堤模型，并進(jìn)行頻域計算分析，輸出沿波浪入射方向的波浪幅值和作用在浮式防波堤上的波壓力.同時，在HR(Hydrodynamic Response)模塊中進(jìn)行時域計算分析并輸出錨鏈力的大小.模型中浮箱箱體寬度為0.6 m，箱體高度為0.2 m，在浮箱底部增加垂直腹板以提升消波能力，腹板最小高度為0.15 m.網(wǎng)格劃分采用Mesh模塊進(jìn)行劃分，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為117 653.試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)見表1.

表1 試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計尺寸參數(shù)

圖1 浮式防波堤三維效果圖

W為箱體寬度；B為箱體高度；S為腹板高度；h為水深；θ1，θ2為錨泊角；D為箱體吃水；ML1～ML4為錨鏈編號

在箱體兩側(cè)分別布置上、下兩排錨鏈(如圖2所示)，每排4根，其中上排錨鏈一端與浮箱側(cè)面相連，另一端固定于水底；下排錨鏈一端與腹板相連，另一端與上排錨鏈的下端固定于水底的同一點.

2 模型驗證

2.1 試驗介紹為了驗證數(shù)值模型的有效性，在福建省福州港松下港區(qū)擬修建浮式防波堤原型基礎(chǔ)上，構(gòu)建了浮式防波堤的模型.模型按照Froude相似準(zhǔn)則進(jìn)行縮放，縮尺比λ=1 ∶25.防波堤原型對應(yīng)浮箱箱體寬度為15 m，箱體高度為5 m，原型參數(shù)如表1所示.模型在試驗中不考慮風(fēng)和流的作用，僅在規(guī)則波下進(jìn)行試驗.物理試驗在交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院水工建筑技術(shù)國家工程實驗室的波浪水槽中進(jìn)行.試驗儀器布置如圖3所示，水池長90 m，寬1.8 m,一側(cè)裝有推板式造波機(jī)，另一側(cè)布置消波設(shè)施，以抑制該端波浪反射.根據(jù)入射波浪的周期特征在模型前、后布置8個浪高儀測量波面時間過程.

圖3中，浪高儀間距為Δd=0.25 m,ΔD=0.5 m，浪高儀距模型之間的距離為d=1.2 m,D=2.5 m.Yang[1]等對試驗布置及試驗過程進(jìn)行了詳細(xì)的描述.

對于浮體結(jié)構(gòu)所受到的點壓力，先采集完整時段的點壓力時間過程，再得出每個周期的點壓力峰值，并取所有峰值的平均值作為最后的結(jié)果.為便于分析，將點壓力傳感器(外側(cè)點1～14)按圖4所示進(jìn)行編號.

試驗水深為h=0.65 m，波高H=0.1 m.試驗采用規(guī)則波進(jìn)行，每組測量的波列都保持波個數(shù)在15個，既可滿足數(shù)據(jù)分析要求，又能避免反射波對測量結(jié)果的影響.

試驗中錨鏈的重量為94.72 g·m-1，采用不銹鋼鏈條進(jìn)行制作，錨鏈的彈性用彈簧進(jìn)行模擬，所用彈簧剛度設(shè)置為K=99 kg·m-1，相當(dāng)于錨鏈的伸長率為2%.其中上部錨鏈長度為3 m，下部錨鏈為3.3 m.

2.2 結(jié)果對比為了驗證模型的有效性，分別對試驗和數(shù)值模擬所得的透射系數(shù)、錨鏈拉力和點壓力進(jìn)行對比.為了便于對比，分別對透射系數(shù)、錨鏈拉力和點壓力進(jìn)行如下定義.

透射系數(shù)KT計算公式

(7)

其中，Ht為透射波高，Hi為入射波高，透射系數(shù)代表著防波堤的消波性能，KT值越小說明模型的消浪效果越強(qiáng).

對錨鏈?zhǔn)芰M(jìn)行以下無因次化處理為F/F0，

F0=ρgSA，

(8)

其中，F(xiàn)為試驗所測錨鏈力，ρ為水的密度，ρ=1 000 kg·m-3，g為重力加速度，S為模型迎浪面面積，A為波幅.

同理，對壓力的無因次化處理為P/P0，

P0=ρgA

.

(9)

對上述建立的浮式防波堤數(shù)值模型進(jìn)行驗證，如圖5所示.對比浮式防波堤波浪透射系數(shù)、錨鏈拉力和點壓力與物理模型試驗結(jié)果的變化趨勢，數(shù)值模擬結(jié)果和試驗結(jié)果基本吻合，并且有著相同的趨勢.這表明了本文所建模型的有效性，采用該數(shù)值模型模擬T型浮式防波堤的水動力特性具有可行性.

3 計算結(jié)果分析

3.1 吃水深度對浮式防波堤水動力特性的影響為探討浮式防波堤浮箱吃水深度對透射系數(shù)、錨鏈拉力和壓力分布的影響，對浮箱吃水深度分別為滿載(D=0.18 m),半載(D=0.10 m)和空載(D=0.02 m)，即相對吃水深度D/h=0.28,D/h=0.15和D/h=0.03.3種工況下的水動力特性進(jìn)行了計算模擬.在模擬過程中水深h,波高H和腹板高度S分別設(shè)定為0.65 m,0.10 m和0.15 m.

圖6為不同吃水深度下浮式防波堤消波性能的變化情況.從圖6中可知透射系數(shù)隨著相對吃水深度的增大明顯減小，消波性能顯著提升.這是由于隨著相對吃水深度的增大，入射波作用在浮體時有效擋水面積增大，消浪性能提升，透射系數(shù)減小.在浮箱相對寬度W/L=0.25時，此時滿載、半載和空載透射系數(shù)分別為0.39、0.67與0.78，即滿載、半載工況對應(yīng)的消波性能相對空載結(jié)果分別提高了50%和14%(消波性能由透射系數(shù)直接體現(xiàn)，計算方法為：對應(yīng)2種工況下透射系數(shù)差值的絕對值與相對工況透射系數(shù)的比值).

由圖5b可知，浮式防波堤迎浪側(cè)錨鏈拉力(ML1，ML3)相對于背浪側(cè)錨鏈拉力(ML2，ML4)較大，鏈接箱體上部錨鏈拉力大于下部錨鏈拉力.為了方便工程設(shè)計，主要以迎浪側(cè)上部錨鏈ML1所受的錨鏈拉力進(jìn)行分析.

圖7為不同相對吃水下錨鏈?zhǔn)芰Φ淖兓€.從圖7中可知錨鏈拉力隨著相對吃水深度的增加呈遞減趨勢.其主要原因是，浮式防波堤吃水深度增加，即重心下降，運動響應(yīng)隨之減小，錨鏈?zhǔn)芰σ搽S之減小.

波浪在與防波堤相互作用時，部分波浪能量透過防波堤繼續(xù)向前傳播，余下的一部分能量則直接作用于浮體結(jié)構(gòu)而消耗.

圖8為不同相對吃水深度下波壓力的分布情況.由于半載和空載情況下部分測點位于水面之上，此時波壓力為0.從圖8可知點壓力的最大值出現(xiàn)在迎浪側(cè)水面附近，且隨著與水面垂直間距的增加，壓力隨之減少.由于入射波浪與迎浪側(cè)直接發(fā)生沖擊作用，因此迎浪側(cè)的點壓力相較于背浪側(cè)偏大.在浮箱底部測點4、5、6處，壓強(qiáng)分布大致呈現(xiàn)隨波浪傳播方向而減小的趨勢，這是由于波浪通過浮式防波堤的過程中耗散了部分能量.但在背浪側(cè)箱底測點處點壓力值又隨著波浪的傳播而增大，原因是流體離開浮式防波堤時，由于水體的紊動效應(yīng)會造成箱底最后端的波壓強(qiáng)變大.對比相對吃水深度為D/h=0.28,D/h=0.15和D/h=0.03工況下各個測點處點壓力值可以發(fā)現(xiàn)隨著相對吃水的減小，防波堤相同點位的點壓力隨之減小.

3.2 腹板高度對浮式防波堤水動力特性的影響為探討不同腹板高度對浮式防波堤消波性能、錨鏈拉力和壓力分布的影響，對浮式防波堤處于滿載(0.18 m)狀態(tài)，腹板高度S分別為0 m、0.15 m、0.25 m和0.35 m，即相對腹板高度S/h=0,0.23,0.38和S/h=0.54 ，4種工況進(jìn)行了模擬分析.

圖9為波浪透射系數(shù)隨腹板高度的變化情況.從圖9中可知腹板高度的增加可以有效提升浮式防波堤的消波性能.由于波浪能量大多集中于水深的上層部分[22]，隨著腹板高度的增大，浮式防波堤在水深方向上的擋浪面積也隨之增大，消波性能增強(qiáng)，透射系數(shù)減小.在相對寬度W/L=0.48時，腹板高度為S/h=0.54相較于S/h=0，透射系數(shù)減小了0.32，消波性能提升了76%.但是對于相對寬度小于0.25的工況，腹板高度的增加對透射系數(shù)的影響很小，如W/L=0.18時，腹板高度為S/h=0.54相較于S/h=0，透射系數(shù)減小了0.04.

圖10為不同腹板高度下錨鏈?zhǔn)芰Φ淖兓€.從圖10中可知錨鏈拉力隨著腹板高度的增加而減小，其原因是由于腹板高度增加，浮式防波堤重心降低，相應(yīng)的減小了防波堤的運動響應(yīng)，從而減小了錨鏈?zhǔn)芰?以W/L=0.28時為例，此時在S/h=0.54相較于S/h=0的錨鏈拉力減小了59%.

圖11分別為浮箱相對寬度W/L=0.28和W/L=0.22時，腹板高度對點壓力分布變化的影響.從圖11中可知隨著腹板高度的減小，相同位置處的點壓力隨之減小.在迎浪側(cè)水面附近測點壓力值達(dá)到最大，在迎浪側(cè)箱底處隨著入射波浪方向測點壓力值隨之減小.同時，在背浪側(cè)水面處4個腹板高度下的點壓力值差異最大.在W/L=0.28時，腹板高度S/h=0.23相較于S/h=0.54工況時1號測點壓力減小了25%.背浪側(cè)水面附近，即14號測點處壓力值則減小了32%.對于S/h=0來說，由于此時浮式防波堤沒有腹板結(jié)構(gòu)，迎浪側(cè)水面附近測點壓力有所減小，箱底處隨著入射波浪方向測點壓力值隨之減小.

3.3 寬度對浮式防波堤水動力性能的影響已討論吃水深度和腹板高度對T型浮式防波堤水動力性能的影響，發(fā)現(xiàn)在滿載吃水D=0.18 m，腹板高度S=0.35 m，即相對吃水D/h=0.28、相對腹板高度S/h=0.54工況時，防波堤消波型性能達(dá)到最優(yōu).在討論浮箱寬度影響時，僅對此工況進(jìn)行分析.由于點1處波壓力最大，僅對該點的壓力值進(jìn)行分析.

圖12為相對寬度W/L對浮式防波堤水動力影響變化的曲線圖.由圖12a可知，浮式防波堤的消波性能隨著相對寬度W/L的增大而提升.對于模擬工況而言(滿載吃水)，在相對寬度W/L較小時也擁有較好的消波性能，如在W/L=0.2時，此時的透射系數(shù)僅為0.58，優(yōu)于傳統(tǒng)浮式防波堤的消浪效果.錨鏈拉力和點壓力隨相對寬度的變化情況與透射系數(shù)的變化相似，均是隨著相對寬度W/L的增大而減小.對于錨鏈拉力而言，由于浮式防波堤運動響應(yīng)隨著W/L的增大而減小，此時錨鏈的張緊程度隨之減小，表現(xiàn)為錨鏈?zhǔn)芰Φ臏p小.對于點壓力而言，由于隨著W/L的增大，意味著浮式防波堤相對運動幅值隨之減小，相同點位處波壓力逐漸減小.

4 小 結(jié)

首先建立了波浪與浮式防波堤作用的數(shù)值模型，通過與物理模型試驗結(jié)果對比驗證了模型的有效性，然后對T型浮式防波堤的水動力特性進(jìn)行了模擬分析，討論了吃水深度、腹板高度和浮箱相對寬度對波浪透射系數(shù)、錨鏈拉力和點壓力分布的影響，得到以下結(jié)論：

1) T型浮式防波堤的透射系數(shù)隨吃水深度、腹板高度和相對寬度的增大而減小，即浮式防波堤的消波性能隨之提升.對浮式防波堤增加腹板，在相對寬度W/L=0.48時，腹板高度為S/h=0.54相較于S/h=0，透射系數(shù)減小了0.32.但是對于相對寬度小于0.25的工況，腹板高度的增加對透射系數(shù)的影響較小，如W/L=0.18時，腹板高度為S/h=0.54相較于S/h=0，透射系數(shù)僅減小了0.04，即消波性能提升不明顯.

2) T型浮式防波堤錨鏈所受拉力值隨著吃水深度、腹板高度和相對寬度的增大而減小.從錨鏈的拉力分布來看，迎浪側(cè)拉力大于背浪側(cè)，連接箱體上部的錨鏈大于下部的錨鏈.腹板的增加還可以大幅度減小錨鏈拉力，滿載工況下相對腹板高度S/h=0.54(0.35 m)時的錨鏈拉力為沒有腹板工況時的41%.

3) 浮式防波堤浮箱和腹板上的壓力變化規(guī)律與錨鏈拉力類似，即壓力隨著吃水深度、腹板高度和相對寬度的增大而減小.壓力在結(jié)構(gòu)上的分布因位置不同而差異很大，迎浪側(cè)點壓力的最大值出現(xiàn)在水面附近，且隨著與水面垂直間距的增加，其壓力隨之減少，迎浪側(cè)的點壓力大于背浪側(cè).需要指出的是在浮箱下設(shè)置腹板在一定程度上增加了壓力值，在W/L=0.28時，腹板高度S/h=0.54相較于S/h=0.23工況時1號測點壓力增大了25%.所以在工程應(yīng)用中，應(yīng)對浮箱和腹板的材料強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng).