新型捕能消波浮式防波堤數值模擬與試驗研究*

鮑靈杰，彭天好,黃方平，張 雷，林 躦

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

隨著現代港口建設不斷向深水處發展，傳統的防波堤越來越難以適應深水的條件。浮式防波堤作為一種新型防波堤結構,有利于水體的交換，對沉積物和生態環境影響較小，工程造價受水深影響小，地基適應性強，施工拆除相對方便，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用前景[1-3]。

浮式防波堤結構多種多樣，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，也有在基本結構形式上加以改進，通常采用増加反射面積、増設阻尼結構等措施。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]對雙浮箱式浮式防波堤進行了二維波浪物理模型試驗，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浮式防波堤消浪性能的影響。嵇春艷等[6-8]結合風力發電、波浪能發電及消波的性能，采用STAR-CCM+數值模擬與試驗相結合的方法研究了水輪機式浮式防波堤。汪宏等[9]針對柔性浮式防波堤對短波、長波均有較好掩護效果的優點，研究垂簾式浮式防波堤對短波、長波的良好消波效果。徐洪彬[10]研究得出相對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寬度增加而明顯減小，于相對寬度為0.3附近趨于穩定。陳俊華等[11-12]研究了在低流速潮流能下的發電裝置槳葉的捕能性能并進行了結構優化。

國內外學者對于浮式防波堤的研究，大多通過相對深度、相對寬度等因素來分析浮式防波堤的透射系數、運動響應、消波機理等，并且savonius型槳葉大多用于風力發電、少部分用于低流速潮流能發電。而對于浮式防波堤應用于深遠海智慧海洋牧場、實現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，評價浮式防波堤的綜合性能，評價結果對于捕能消波浮式防波堤的設計具有一定的參考價值。

1 數值模擬試驗

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鐵皮條系泊懸掛在HDPE浮管下，savonius型槳葉組之間亦通過空心軸連接在一起，形成網狀陣列分布式發電系統；HDPE浮管組包括2根HDPE浮管及其連接支架，通過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

參照工程背景實際情況和試驗設備條件，模型按照1:5 的幾何比尺進行設計。浮式防波堤的浮體幾何參數為：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值模擬采用STAR-CCM+軟件，假設流體不可壓縮，黏性系數不變，控制方程為納維-斯托克斯方程、自由液面方程和連續方程。沿x、y、z共3個方向的動量守恒[13]：

(1)

(2)

(3)

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

1.3 湍流模型

在試驗中，當波浪遇到浮式防波堤時，波浪會發生劇烈運動。RNGk-ε模型運用了重整化群的數學方法，計算中考慮了平均流動中旋轉流動狀況和小尺度影響。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置

邊界條件的設置為整個流域規劃出一個區間，包括速度入口、壓力出口、壁面。一般地，運動學的邊界條件為：

(5)

(6)

初始條件主要是初始時刻自由液面的位置、速度場的分布、槳葉的初始速度等，研究周期性波浪運動時，初始條件不會影響穩定后的計算結果，但對計算量有一定的影響。

φ|t=0=f1(x,y),z=η(x,y,0)

(7)

(8)

1.5 網格參數設定

網格參數的設定主要包括網格基本尺寸和網格類型。數值模擬連續體網格模型選擇切割體網格生成器及棱柱層網格生成器。為保證計算結果的精確性，在自由液面所能波動的范圍內進行網格加密，一般加密3～4層以保證網格平滑過渡，網格隨著與自由液面距離的增大而逐漸增大。同時，由于槳葉轉動，采用了減運算的布爾操作，調用重疊網格的方式對減運算的網格和背景網格進行合理布局，網格數量大約為50萬。網格劃分見圖2。

圖2 槳葉網格劃分

1.6 求解器參數設置

為提高計算精度，采用了二階時間離散。時間步長的確定直接影響結果的準確性以及計算收斂等，時間步的確定與網格大小有關，根據經驗公式Δt=T/(2.4n)確定時間步長，其中T表示造波的周期，n表示單位波長劃分的網格數。停止條件設置包括最大迭代次數、最大物理時間等。最大迭代次數可根據結果的準確性進行調整，最大物理時間則根據計算結果及殘差是否穩定等因素自行確定。

1.7 防波堤水動力模型

在笛卡爾坐標系下的新型捕能消波浮式防波堤的水動力模型配置，由雙浮管和兩組savonius型槳葉組成。為了滿足浮體水動力計算的要求，簡化求解過程，模型縮短了HDPE浮管長度及槳葉個數，把savonius型槳葉設置成與雙浮筒相對位置固定且葉片軸線與坐標系x軸呈90°的形式。兩種方案見圖3。

圖3 槳葉水動力模型

模型選擇三維、隱式不定常、歐拉多相流、湍流、狀態多項方程、VOF波等。模擬介質包括水和空氣兩項，通過 VOF 模型捕捉自由液面。阻尼消波距離為波長的1～2倍。浮式防波堤水動力參數為：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 數值模擬及結果分析

為了簡化模型、提高計算效率，忽略了浮式防波堤的六自由度運動，對浮式防波堤采用固定方式，槳葉則運用了STAR-CCM+的DFBI，開放了一個繞z軸旋轉的自由度，槳葉在波浪作用下自由旋轉，其數值模擬組次見表1。經過數字模擬計算，最大內部迭代5步，計算20 s以后數據趨于穩定，獲得數據進行研究分析。根據STAR-CCM+獲得的數據求平均值，平均轉速、平均轉矩見表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速、平均轉矩見表2。

表1 數值模擬組次

表2 兩種槳葉布置形式的平均轉速和平均轉矩

數值模擬的槳葉所獲得的功率為槳葉轉動的平均轉矩與平均轉速的乘積，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。由于并列槳葉對于在波浪傳遞過程中2次消波，透射系數(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

2 物理試驗

2.1 試驗條件

整個試驗研究以70 m 長、4 m 寬、2 m深的試驗水池為基礎，試驗總體方案見圖6。搖板式造波機可產生波形穩定、可重復的規則波。槳葉通過傳動裝置傳動，發電機當負載。傳感器采集浮式防波堤的試驗數據，主要測量儀器為波高儀、動態扭矩傳感器。試驗布置見圖7。

圖6 試驗總體方案

圖7 試驗布置

2.2 試驗設置

水池造出不同周期的線性波，系泊方式為多點張緊式，波高儀分別設置于浮式防波堤前后1～2個波長處。捕能槳葉入水深度為0.7 m，通過改變槳葉布置，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，采集時間在40 s以上，規則波試驗的波浪數據采集時間間隔小于平均波周期的120，采集頻率為50 Hz。在波浪穩定條件下，連續采集的波浪個數大于10個，并取其平均值作為代表值。

2.3 試驗結果及分析

浮式防波堤試驗通過模擬時變的波浪海況，測試浮式防波堤在整個工作周期前后的消波情況和捕能功率，綜合評價該防波堤的兩種槳葉布置形式在不同波浪周期下的水動力性能。

浮式防波堤懸掛的槳葉通過傳動裝置測得平均轉速、平均轉矩見表3，轉速低于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 傳動裝置測得的平均轉速和平均轉矩

捕獲功率為所測得的平均轉矩與平均轉速的乘積見圖8，由圖8可知捕獲功率隨著相對入水深度逐步上升，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速，當轉速較大時，功率也較大。

圖8 防波堤捕獲功率

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

圖9 防波堤透射系數

3 數值模擬試驗與物理試驗結果分析

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

v=λf

(9)

式中：v為波速；λ為波長；f為頻率。當槳葉捕獲功率較大時，從表4可知，槳葉的轉動頻率與波浪頻率相近時，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，透射系數隨著相對寬度的增大而略有上升，之后開始大幅度下降，符合大部分學者關于浮式防波堤的試驗結果。總體來看，槳葉并列布置的的浮式防波堤消波性能優于槳葉垂直布置的浮式防波堤。

4 結論

1)對于新型捕能消波浮式防波堤的兩種不同槳葉布置形式，當槳葉轉動頻率與波浪頻率相近時，savonius型槳葉捕能效果較好，不同槳葉安裝位置的防波堤會影響捕能效果的優劣，有進一步研究和應用的價值。

2)通過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于垂直布置的浮式防波堤。