浮式防波堤拖航阻力數值模擬與試驗

闞俊偉，蔣志勇

(江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

隨著人們對沿海和近岸地區開發利用的不斷增加，浮式防波堤作為一種新型的防波堤逐漸取代了傳統類型的浮式防波堤。較傳統型浮式防波堤而言，它具有重量輕、結構簡單、造價便宜以及對地基的要求低等特點。此外，浮式防波堤海水交換能力較強，對于工作水域的整體性和生態環境的影響不大，不會造成水流的改變以及泥沙的沉積。

對于浮式防波堤的運輸方式很多，濕拖則是其中的一種，即利用拖船對浮式防波堤進行拖航。而拖航阻力的大小則直接影響到拖航過程的經濟、安全，所以對于浮式防波堤的拖航阻力的數值模擬與試驗十分重要。

1 浮式防波堤模型介紹

文中所研究的浮式防波堤為圓筒型浮式防波堤，單個模型如圖1所示。浮式防波堤主要由2個空心水泥筒和14根水泥連接柱以及防浪網組成。2個空心浮筒的外徑為4 m，內徑為3.7 m，壁厚為0.15 m，長度為20 m。2個浮筒間的空隙寬度為2 m，中間用14根間距均為1.5 m的圓柱橫撐連接，橫撐直徑為0.5 m。防浪網的高度為7.5 m，中間的網目尺寸為40 mm，網線的粗度是210 D/90股 (2.35 mm)。此外在防浪網中還添加了浮力等于重力的橡膠小球，橡膠小球的材料是聚乙酸乙烯酯，它的密度為1200 kg/m3，外徑為0.15 m，內徑為0.079 m，橡膠小球的總數約占網籠體積的1/3。防浪網下面設置的重塊為5 kg的石塊。圓筒型浮式防波堤的總重量約為260 t，吃水約為2 m，重心的垂向高度約為2.171 m。

2 拖航過程

浮式防波堤在工作狀態下防浪網放置于水下，但是在拖航過程中為了減小拖航的阻力降低成本，故將防波堤以倒置的方式拖航，使得防浪網朝上已達到減小阻力的效果，如圖2所示。

圖2 圓筒型浮式防波堤拖航狀態圖示Fig.2 Towing state diagram of cylindrical floating breakwater

為了降低拖航成本，將浮式防波堤以6個為一組的方式進行綁扎，也就是說每一組將3個防波堤串聯綁扎在一起，并排擺放2組防波堤，每個浮式防波堤之間通過綁扎繩進行連接，形成了2×3=6個防波堤組合進行拖航。由于圓筒型浮式防波堤的前部是平整的圓面，根據林堅等在《浮式防波堤拖航阻力性能研究》中提到，圓筒型浮式防波堤的平整圓面在拖航的過程中會導致拖航阻力的增加。為了減小拖航作業的成本，仿照船舶首部加裝球鼻首的方法，另外準備了幾個可以拆卸的錐頭，錐頭高為0.2 m，拖航示意圖如圖3所示。

圖3 浮式防波堤拖航方案示意Fig.3 Program of towing floating breakwater

3 數值模擬

3.1 網格劃分及邊界條件

本文通過FINE/Marine軟件對浮式防波堤的拖航阻力進行數值模擬，為了能夠與圓筒型浮式防波堤的模型試驗結果進行對比，所以對于計算模型以圓筒型浮式防波堤為原型，采用1∶20的比例進行建模 (母型浮式防波堤長20 m，寬10 m，筒徑4 m)。

根據浮式防波堤拖航時的組合，為了保證計算的精度，將整個計算域設為長、寬、高分別為15.2 m，6.08 m，9.12 m。計算域水深為7.6 m，水面以上為空氣，其中圓筒型浮式防波堤的進水端為3.04 m。浮式防波堤的網格數目為2486571，網格質量良好，可以保證數值計算的精度，網格劃分如圖4所示。

圖4 計算控制區域網格劃分Fig.4 Computation control domain meshing

本文浮式防波堤計算模型的邊界條件如下:計算域的上下表面均為指定壓力邊界，對于計算域的左右兩面和出入流面均為速度遠場邊界。

3.2 計算工況

本文采用在靜水中進行拖航數值模擬，通過改變拖航航速對浮式防波堤的拖航阻力進行計算，航速分別為4 kn，5 kn，6 kn，7 kn，8 kn及9 kn。為了保證實體與模型的傅汝德數Fr相等，航速換算如表1所示。

表1 航速換算結果Tab.1 Conversion results of speed

3.3 數值結果分析

圖5為浮式防波堤在靜水中拖航阻力的數值模擬。從圖中可以發現隨著航速的增加，拖航阻力呈現遞增的趨勢。當航速為4 kn時，拖航阻力為4.87 N，當航速達到9 kn時，拖航阻力已增到27.41 N，是4 kn航速時的5.6倍。從圖中來看，曲線的增加趨勢越來越大，說明航速越大對浮式防波堤的拖航阻力影響越大。

圖5 拖航阻力數值模擬Fig.5 Numerical simulation of the towing resistance

4 模型試驗

4.1 試驗概況

浮式防波堤的模型試驗在江蘇科技大學船舶與海洋工程學院的船模拖曳水池中完成。拖曳水池長為100 m，寬為6 m，水深為2 m，拖車的最高航速為6 m/s。與數值模擬相同，模型也按照1∶20的比例進行制作。根據相似性原理，模型參數如表2所示。

表2 浮式防波堤試驗模型參數列表Tab.2 List of parameters of experimental floating breakwater models

由于拖航過程中，圓筒型浮式防波堤以6個為一組，所以以上浮式防波堤模型總數為6個，每個模型的尺寸規格都一樣。本次試驗模擬的是靜水中的拖航過程，通過改變拖曳速度來進行模型試驗。

4.2 試驗數據采集及試驗過程

模型按照預定要求進行綁扎，以6個為一組進行拖曳試驗，具體情況如圖6所示。

圖6 實驗示意圖Fig.6 The figure of test model

本次試驗利用電測式阻力儀對拖曳阻力進行測量，阻力儀被安裝在拖車上，通過拖線將阻力儀與浮式防波堤的首端進行連接。按照試驗速度啟動拖車，當拖車速度達到預定值后，讀取此時的阻力值。測量完成后，在拖車減速的同時將浮式防波堤進行制動。然后再將拖車退回到起始位置，在水面平靜后再進行下一步試驗。同時，對水池的溫度進行記錄。

4.3 試驗結果

圖7為浮式防波堤模型試驗所得的拖曳阻力情況圖。從圖中可以看出，隨著航速的遞增，拖曳阻力不斷遞增。在速度為4～6 kn時，拖曳阻力增加較為平緩。但是當航速繼續增加時，曲線更加陡峭，阻力變化較大。說明在高航速下拖航時，浮式防波堤的拖航阻力更大，不利于拖航的經濟和安全。

圖7 拖航阻力試驗Fig.7 Towing resistance test

5 數值模擬與試驗結果比較

為了能夠更好地研究浮式防波堤的拖航阻力情況，將數值模擬結果與模型試驗結果進行比較，如圖8所示。

圖8 拖航阻力比較Fig.8 The comparison of towing resistance

圖8為浮式防波堤拖航阻力的數值模擬與模型試驗的結果比較。從圖中可以看出，模型試驗結果比數值模擬的結果大。這是因為隨著航速的增加，兩者之間的差值也在不斷遞增，由4 kn時的3.72 N遞增至9 kn時的14.72 N。在航速為4～7 kn時，數值模擬與模型試驗的曲線變化程度相似，但是航速繼續增加時模型試驗的阻力變化曲線更陡，變化更大。

6 結語

1)浮式防波堤的拖航阻力隨著航速的增加呈現遞增趨勢，當到達航速時拖航阻力的增加趨勢更為明顯。

2)浮式防波堤的拖航阻力試驗結果比數值模擬結果較高，隨著航速的增加，差值呈現上升的趨勢。

3)當航速在4～7 kn時，數值模擬與模型試驗的阻力增加曲度類似，但是隨著航速的繼續增加，拖航阻力增加值更大，曲線變陡。

4)此種浮式防波堤在航速為4～7 kn時，拖航更利于保證拖航過程的經濟、安全。

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