一種新型浮式防波堤的數(shù)值模擬研究

文立+劉祚秋

摘要：針對一種適合于救助打撈、工程臨時防護等應急防浪情況的新型應急浮式防波堤，本文應用Ansys Workbench軟件和AQWA Graphical Supervisor （AGS）圖像后處理軟件，建立三維數(shù)值模型，模擬了新型應急浮式防波堤在規(guī)則波作用下的運動過程，探討了波陡H/L及相對吃水深度D/d對新型應急浮式防波堤透射系數(shù)的影響，此外還對防波堤的穩(wěn)定性進行了分析。研究結(jié)果表明，波陡是影響新型應急浮式防波堤透射系數(shù)的重要因素，波陡越大，透射系數(shù)也越大，而相對吃水深度對透射系數(shù)有影響，但影響較小。

關(guān)鍵詞：浮式防波堤；數(shù)值模擬；頻域分析；透射系數(shù)；幅值響應算子

中圖分類號：U653.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）3-0050-02

隨著我國港口建設向離岸及深水發(fā)展，港口建設期常遭受風浪襲擊，需要一種拆裝方便、布設速度快的應急防浪結(jié)構(gòu)來減弱波浪，以保障海上救助作業(yè)、港口施工期各類作業(yè)以及其他海洋活動的正常進行。McCartney和Bruce，Werner，Shunichi，Mizutani和Rahman等對浮式防波堤的結(jié)構(gòu)設計做了詳細的研究，研究截面形狀、結(jié)構(gòu)寬度、吃水深度、錨泊方式等參數(shù)對浮式防波堤消波性能的影響。王鐵濤、劉祚秋以雙浮箱-多水平板浮式防波堤為研究對象，通過Ansys Workbench軟件建立數(shù)學模型，進行水動力分析。李紹武，鄒鵬旭，陳漢寶對一種新型應急浮式防波堤進行了研究。運用FLOW3D軟件模擬了新型應急浮式防波堤在規(guī)則波作用下的運動過程。

本文針對這種新型應急浮式防波堤（圖1），應用Ansys Workbench軟件和AQWA Graphical Supervisor （AGS）圖像后處理軟件，建立三維數(shù)值模型，模擬了新型應急浮式防波堤在規(guī)則波作用下的運動過程，探討了波陡H/L及相對吃水深度D/d對新型應急浮式防波堤透射系數(shù)的影響，此外還對防波堤的穩(wěn)定性進行了分析。

1 防波堤模型及基本參數(shù)

防波堤單根消浪管直徑為75 mm，吃水深度為總高度的0.6倍。浮體質(zhì)量為2.18 kg，對重心軸的慣性矩為0.00 55 kg·m2。

2 計算結(jié)果分析

影響浮式防波堤入反射、透射特性的主要因素包括吃水深度D、水深d、波高H、波長L等，據(jù)數(shù)學模型計算結(jié)果，重點分析波陡H/L及相對吃水深度D/d對透射特性的影響，并提取防波堤模型的幅值響應算子，分析該防波堤的穩(wěn)定性。

2.1 模型驗證

首先對本章中所用的防波堤模型進行驗證。如圖2所示，對比數(shù)學模型與李紹武的水槽試驗的堤后波高變化趨勢，可發(fā)現(xiàn)二者在數(shù)值上接近，總體趨勢相同。說明本文所采用的數(shù)值模型和方法正確。

2.2波陡對防波堤的消波性能的影響

2.3相對入水深度對防波堤的消波性能的影響

2.4穩(wěn)定性分析

主要研究防波堤的幅值響應算子（Response amplitude operator，簡稱RAO）。該浮式防波堤的波浪作用下的運動主要為垂蕩。

圖5給出了不同吃水深度的防波堤在波浪垂直入射條件下的垂蕩幅值響應算子，結(jié)果顯示，防波堤的垂蕩峰值頻率為6.73 rad/s，固有周期為0.93 s，當固有周期與波浪頻率接近時，會產(chǎn)生共振，設計時應避開常見波浪周期。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明：

⑴隨著波陡的增大，該防波堤透射系數(shù)逐漸減小。另外，還可以看出對于同一水深條件下的3個波高情況，波高較大時的透射系數(shù)大于波高較小的情況，這主要是因為隨著波高增大，越浪加劇。

⑵該防波堤透射系數(shù)隨著相對吃水深度的增大大體呈遞減趨勢，但下降趨勢并不明顯。這是因為吃水深度越大，浮體有效擋水面積越大，從而透射系數(shù)越小，但影響效果相對有限。

⑶防波堤的固有周期為0.93 s，當固有周期與遭遇波浪頻率接近時，會產(chǎn)生共振，導致防波堤劇烈運動，設計時應避開常見波浪周期。

參考文獻：

[1] McCartney M， Bruce L. Floating breakwater design[J]. J Waterway Port Coastal Ocean Eng 1985，111（2）：304–318.

[2] Werner G. EXPERIENCES WITH FLOATING BREAKWATERS： A LITERATURE REVIEW[J]. Marinas， 1988（63）；23–30.

[3] Shunichi Ikesue， Yasuhiro Sugi. Study on the performance of a floating breakwater with two boxes [C]. Proceeding of the twelfth International Offshore and Polar Engineering Conference， Kitakyushu， Japan， 2002：773-778

[4] Mizutani N， Rahman M A. Performance of Submerged Floating Breakwater Supported by Perforated Plates under Wave Action and Its Dynamics[C]// International Conference on Civil Engineering in the Oceans. 2005：329-341.

[5] 王鐵濤，劉祚秋.雙浮箱-雙水平板浮式防波堤的數(shù)值模擬[J]. 水運工程，2016（3）：46-50.

[6] 李紹武，鄒鵬旭，陳漢寶.一種新型浮式防波堤消浪效果及錨鏈力數(shù)值研究[J]. 水道港口，2016，37（6）：573-577.endprint