一種波能發(fā)電開孔浮式防波堤的數(shù)值模擬研究★

李佳繁，鄭艷娜，林裕強(qiáng)，陳昌平，楊 杰

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

1 概述

如今的社會(huì)已進(jìn)入全面高速發(fā)展的時(shí)代，這種發(fā)展格局不僅僅只局限于陸地，海洋蘊(yùn)藏著豐富的可再生能源,而這些尚未完全開發(fā)的能源若是經(jīng)過合理開發(fā)及利用，那么將對(duì)人類的生產(chǎn)活動(dòng)以及經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶來空前的幫助，于是，在這樣的環(huán)境下，就必須具備一些必要的保護(hù)海洋環(huán)境安全的工程及設(shè)施裝備，例如防波堤工程。與傳統(tǒng)防波堤相比，浮式防波堤具有海水交換功能強(qiáng)、不需要進(jìn)行地基處理、安放位置可變、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)[1]。另一方面海洋清潔能源的開發(fā)利用是助力雙碳目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的重要途徑。波浪能被認(rèn)為是最佳的清潔能源之一，越來越引起人們的關(guān)注。因此研發(fā)具有較好的消浪性能并可以兼顧波浪能發(fā)電等多種功能的浮式防波堤是近年來浮式防波堤研究的熱點(diǎn)。

相對(duì)于單體浮式防波堤，雙體浮式防波堤結(jié)構(gòu)對(duì)波浪的反射和耗散效果更好[2]。Williams等[3]基于勢(shì)流理論，利用邊界元方法對(duì)剛性連接的雙箱式浮式防波堤及兩個(gè)未連接的方箱浮式防波堤的消浪效果進(jìn)行模擬，結(jié)果表明浮堤的寬度、吃水、兩浮箱間距、錨鏈剛度對(duì)其反射系數(shù)有一定影響。Koftis等[4]對(duì)固定雙浮箱式防波堤的消浪效果進(jìn)行模擬，結(jié)果表明透射系數(shù)隨相對(duì)寬度的增大而減小。沈雨生等[5]對(duì)剛性連接的雙浮箱式浮式防波堤進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，可以得到其透射系數(shù)均小于前后浮箱自由的雙浮箱式浮堤與相同寬度的單浮箱式浮堤。Shunichi Ikesue等[6]對(duì)帶有內(nèi)外翼板的雙浮箱式浮式防波堤進(jìn)行了物理試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，透射系數(shù)隨著相對(duì)寬度的增大逐漸減小，內(nèi)外翼板對(duì)波浪能量也有一定的消減作用。楊彪等[7]對(duì)雙浮箱-雙水平板式浮式防波堤進(jìn)行了規(guī)則波的物理模型試驗(yàn)研究，研究表明在雙箱結(jié)構(gòu)上加雙水平板，透射系數(shù)最多減小0.4左右。鄭艷娜等[8]采用邊界元方法對(duì)系泊的雙箱浮式防波堤結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)域數(shù)值模擬，并對(duì)其透射系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，與試驗(yàn)結(jié)果比較變化趨勢(shì)相一致，由于未考慮摩擦及波浪破碎等因素，計(jì)算結(jié)果偏大。

浮式防波堤應(yīng)用開孔方箱可以使波浪充分摻雜破碎，有效減小透射系數(shù)，增強(qiáng)消浪效果。王環(huán)宇[9]針對(duì)一種菱形模塊拼裝成的多孔浮式防波堤進(jìn)行了測(cè)試，內(nèi)容包括浮堤的消浪性能及系泊纜的受力，通過改變不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出了浮堤內(nèi)部幾何構(gòu)造對(duì)透射系數(shù)及系纜力的影響較大的結(jié)論。胡文清等[10]通過數(shù)值模擬與物理模擬結(jié)合的方法，研究了孔隙率對(duì)結(jié)構(gòu)水面消波特性的影響，結(jié)果表明，消波效果并不由孔隙率決定，孔徑小的結(jié)構(gòu)消波效果更好。

振蕩水柱式(OWC)波浪能發(fā)電技術(shù)裝置應(yīng)用較廣，其工作原理是利用波浪上下浮動(dòng)，浮在海面上的結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)部的水面不斷起伏，內(nèi)部空氣不斷被擠壓，在OWC排氣口設(shè)置透平裝置，使壓縮的空氣帶動(dòng)發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電。國內(nèi)外對(duì)OWC發(fā)電裝置的研究一直在進(jìn)行，隨著研究的不斷深入，從最初的小型裝置到后來的大型裝置，從近岸式轉(zhuǎn)變?yōu)殡x岸式，從淺海一步步轉(zhuǎn)變到深海，都為OWC與浮式防波堤的結(jié)合奠定了基礎(chǔ)[11]。HE等[12]提出了一種將振蕩水柱裝置與浮式防波堤結(jié)合的結(jié)構(gòu)，系泊纜繩松弛，結(jié)果表明，該防波堤對(duì)長(zhǎng)周期波浪的消波效果較傳統(tǒng)浮式防波堤有一定提升。HE等[13]利用物理實(shí)驗(yàn)研究了樁基支撐的振蕩水柱結(jié)構(gòu)式防波堤的消浪性能，研究表明該結(jié)構(gòu)對(duì)波浪具有良好的吸收與耗散能力。

本文提出一種將振蕩水柱(OWC)波能發(fā)電裝置與開孔方箱相結(jié)合的雙體浮式防波堤，本模型在前方箱中嵌入OWC裝置，后方箱做開孔處理，這樣可以在有效消除波浪的同時(shí)合理利用海洋能。本文對(duì)其消浪特性展開研究，通過與相似結(jié)構(gòu)的浮式防波堤進(jìn)行比較，得出這種新型防波堤的透射系數(shù)的變化規(guī)律，為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 計(jì)算模型

2.1 模型的基本結(jié)構(gòu)

建立波能發(fā)電開孔浮式防波堤模型，基本結(jié)構(gòu)為兩個(gè)浮箱，前方箱為嵌入OWC的方箱，后方箱為開孔方箱，開孔率為16.7%，其目的在于使透過前方箱的波浪進(jìn)一步破碎與耗散，達(dá)到更好的消能效果，為了保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與消浪效率，開孔間距不宜過大或過小，模型如圖1所示。單個(gè)方箱的尺寸為18 m×12 m×8 m，吃水深度為5 m，來浪方向?yàn)檠豿軸正向，水深為h，方箱間利用擋板相連，擋板長(zhǎng)度為d，錨鏈平行布置，采用八字錨泊方式，拖地長(zhǎng)度為l，各部分構(gòu)件之間剛性連接，布置示意圖見圖2。

2.2 數(shù)值模擬條件

數(shù)值模擬波浪采用規(guī)則波，周期為5 s～15 s(6種周期)，不同水深，不同入射波高等。具體計(jì)算工況見表1。

表1 計(jì)算工況

3 數(shù)值建模

本文應(yīng)用ANSYS AQWA，基于三維勢(shì)流理論，將流體看作理想流體，利用Rhino創(chuàng)建浮體結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，讀入ANSYS Workbench中，對(duì)其修正后將水面以下的結(jié)構(gòu)劃分若干網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。主要應(yīng)用模塊包括：AQWA-Line頻域水動(dòng)力求解模塊，模擬浮式防波堤在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，基礎(chǔ)理論有波浪的輻射、衍射理論、格林函數(shù)。AQWA-Liberium靜平衡計(jì)算模塊，分析浮式防波堤前后浮箱平衡位置的穩(wěn)定性。AQWA-Drift平均濕表面時(shí)域計(jì)算模塊，基礎(chǔ)理論有二階力、時(shí)域非線性理論。AQWA-Naut瞬時(shí)濕表面時(shí)域計(jì)算模塊，在特定波浪要素下，分析前后浮箱運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程[14-19]。

浮式防波堤的透射系數(shù)一般用堤后透射波高Ht與堤前入射波高Hi的比值來表示，即：

4 數(shù)值模擬驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文數(shù)學(xué)模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)振蕩水柱(OWC)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并將結(jié)果與王鵬[20]的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖3所示，可以看出兩者吻合良好。為了驗(yàn)證錨鏈系泊的開孔浮堤的計(jì)算準(zhǔn)確性，將本文數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與劉心媚[21]的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖4所示，可以看出結(jié)果基本一致。

通過以上算例的驗(yàn)證可以說明，本文的數(shù)學(xué)模型可以比較準(zhǔn)確的模擬OWC結(jié)構(gòu)以及系泊開孔浮堤周圍波浪場(chǎng)的情況。

5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

5.1 結(jié)構(gòu)比選

為了確定浮式防波堤的結(jié)構(gòu)模式，分別對(duì)雙箱、嵌入OWC的方箱-方箱、方箱-開孔方箱及嵌入OWC的方箱-開孔方箱四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算。選取雙體結(jié)構(gòu)間距為d=12 m，波高H=1 m，3 m，5 m。四個(gè)模型的透射系數(shù)結(jié)果如圖5所示，圖5中橫坐標(biāo)為波浪周期T，縱坐標(biāo)為透射系數(shù)Kt。通過對(duì)比四種浮堤的透射系數(shù)可以看出，雙箱的透射系數(shù)比較大，在長(zhǎng)波(T>9.63 s)情況下，有開孔方箱結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)小于不開孔方箱結(jié)構(gòu)，在短波(T=5 s)情況下，嵌入OWC的單箱-單箱結(jié)構(gòu)透射系數(shù)較小。經(jīng)過綜合比較可以看出，嵌入OWC的方箱-開孔方箱的新型浮式防波堤對(duì)長(zhǎng)波的消浪性能有所提高，同時(shí)OWC方箱可以對(duì)波浪能進(jìn)行利用，具有較好的應(yīng)用潛力。

5.2 周期對(duì)消浪效果的影響

圖6給出兩種水深(h=18 m，25 m)、兩種入射波高(H=1 m，3 m)條件下的可發(fā)電開孔浮堤透射系數(shù)變化情況。從圖6可以看出，在波浪周期比較小時(shí)，結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)較小，即消波效果更好，在波浪周期較大時(shí)(T≥8.63 s)，周期的改變對(duì)透射系數(shù)影響不大。當(dāng)周期由8.63 s減小到5 s時(shí)，透射系數(shù)明顯減小，尤其是在6.95 s～5.82 s段，減小趨勢(shì)非常明顯?？偟脕砜矗ɡ酥芷谠叫?，結(jié)構(gòu)的消浪性能越好。

5.3 水深對(duì)消浪效果的影響

由圖6可以看出，在相同入射波高時(shí)，水深18 m的透射系數(shù)明顯小于水深25 m，尤其在周期T=8.63 s～5.82 s內(nèi)。而且值得注意的是，當(dāng)入射波高為3 m時(shí)水深18 m的透射系數(shù)要小于入射波高為1 m時(shí)水深25 m的透射系數(shù)，也就是說，相較于入射波高，水深對(duì)消浪性能的影響更大一些?？傮w來說，水深越小，透射系數(shù)越小，這是由于水深變小相當(dāng)于增加了結(jié)構(gòu)的吃水深度，使結(jié)構(gòu)的擋水面積增大，可以阻擋更多的波浪，擋浪效果變好。

6 結(jié)語

本文利用ANSYS AQWA對(duì)一種新型波浪能發(fā)電開孔浮式防波堤進(jìn)行了數(shù)值模擬，討論了周期、水深等因素對(duì)浮堤透射性能的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：相較于相似結(jié)構(gòu)，波浪能發(fā)電開孔浮式防波堤消浪效果較好，尤其對(duì)長(zhǎng)波有一定的改進(jìn)；周期對(duì)OWC-開孔式浮式防波堤的消浪性能影響較明顯；水深對(duì)OWC-開孔式浮式防波堤消浪性能的影響較大，水深較小時(shí)浮堤的消浪性能較好。