U型振荡水柱式防波堤波浪力试验研究

纪君娜

(山东省调水工程运行维护中心棘洪滩水库管理站，青岛 266111)

Biography：JI Jun-na(1981—), female, engineer.

随着世界经济的快速发展，能源需求量不断增加，传统能源已无法满足发展需求，此外化石能源导致的环境问题也日益突出，因此大力发展可再生能源是大势所趋。储存在海洋中的可再生能源潜力巨大，超过70%的地球表面被海洋覆盖，海洋是巨大的太阳能收集器，从太阳获取热能，月球的引力驱动潮汐，风产生海浪。与其他可再生能源相比，海洋能源具有丰富可用性、高负荷因子、低环境影响和资源可预测性等重要优势[1]。海洋波浪能具有以下几个优点：(1)波浪能是机械能的一种，也是海洋能中质量相对较好的能源，同时利用它的能量转化装置也相对简单；(2)尽管波浪能的能流密度相对较低，但其蕴藏量巨大；(3)而且在冬季拥有最大的波浪能,这样可以有效缓解能源消耗巨大、供给不足的问题；(4)波浪能是海洋中分布最为广泛的可再生能源。也正是由于其突出的优点，保证了较高的开发利用性[2]。振荡水柱式波浪能发电(Oscillating Water Column，简称OWC)是目前海洋能利用技术之一，其结构简单、建造方便，并且可以和护岸、防波堤等海工结构相结合，在降低工程造价的同时实现海工结构物的功能多元化[3]。

史宏达等[4]提出了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置，并在物理试验中研究了装置的稳定性情况。HE等[5]将OWC装置与圆柱桩基式防波堤结合，研究了该类型装置的水动力特性。KAMATH等[6]通过计算气室内压力和自由表面液体速度来评价OWC装置的转换效率，并将对该装置在不同波长范围内、不同波陡度下的性能进行了评价。NING等[7]利用数值模拟研究了作岸式OWC装置上的动态波浪力以及波浪条件和气室几何形状对气室前墙波浪力的影响。SINGH等[8]在试验中研究了漂浮式防波堤结合OWC装置的发电出力情况，并发现漂浮式防波堤的运动会对装置发电性能产生较大的影响。ZHENG等[9]构建了多气室OWC数值模型，并总结了透平控制策略、气室个数以及气室壁面尺寸对装置波能转换效率的影响规律。为了进一步提高OWC装置的能量转换效率，BOCCOTTI[10]提出了一种U型振荡水柱结构(U-OWC)，该装置在传统OWC气室前增加了一块前挡板，使装置可在没有相位控制的前提下产生共振现象，以此提高OWC的整体性能。VYZIKAS等[11]研究了不同几何尺寸的多气室OWC装置包括经典的OWC和U-OWC的水力特性，同时对不同形式OWC装置的几何特性进行初步比较以及形状改进，从而整体优化并提高装置效率。耿敬等[12]构建了二维数值波浪水槽，分析了气室形状参数以及波面非线性等因素对U型OWC气室内水面高度的影响。SCANDURA等[13]基于线性无旋波理论，建立了U型振荡水柱装置的数值模型，并用模型试验和海试数据验证了模型在装置效率预测中的准确性。NING等[14]研究了水下挡板长度、挡板与气室前墙距离等因素对U-OWC转换性能的影响。

OWC装置作为开孔沉箱的一种特殊结构，研究其受力可以为解决OWC装置兼做防波堤的受力问题起到指导作用。陈雪峰等[15]采用特征函数展开与匹配方法，研究了沉箱前板开孔率、消浪室宽度与沉箱底宽之比、海床渗透参数等因素对水平力、垂直力的影响。姜俊杰等[16]通过二维规则波波压力试验，对规则波作用下有顶板开孔沉箱所受到的垂直波浪力进行了系统研究。ASHLIN等[17]对OWC装置的波浪力进行了物理模型试验。结果表明，在系统固有频率下，由于OWC的高能吸收作用，结构受力较小。NING等[18]利用数值模拟研究了作岸式OWC装置上的动态波浪力以及波浪条件和气室几何形状对气室前墙波浪力的影响。

值得注意的是，U型振荡水柱装置和防波堤结构具有很高的关联性和共通性。首先，二者的工作水域条件相似，均设置在水深不超过20 m的海域；其次，防波堤与U型振荡水柱装置受力特征类似，均需要承受波浪力冲击作用，吸收或转换波浪能；此外，二者断面尺度相似，并且沉箱防波堤可以设计建造成与U型振荡水柱装置相似的气室结构，如图1所示。因此，U型振荡水柱装置与传统防波堤具备复合式开发的条件基础。

图1 U型振荡水柱式防波堤示意图

从已有文献来看，目前大部分对于U型振荡水柱装置的研究集中在其水动力特性及能量转换性能上，对于装置兼做防波堤的受力规律研究较少。基于此，本文构建了U型振荡水柱式防波堤的物理模型，通过水工物理模型试验开展了装置的受力规律研究，研究结果可为该类型装置的稳定性设计提供参考。

1 试验概况

1.1 装置模型

本试验中重力起决定性作用，故按弗劳德相似准则进行模型设计，长度比尺为1∶18。试验所用的U型振荡水柱模型由厚度为13 mm的亚克力板组装而成，如图2所示。沉箱气室长0.6 m、高1 m、宽1 m，与水槽保持等宽，因此不考虑波浪绕流的影响，气室后壁固定装有孔板结构的输气管，以模拟空气透平带来的阻尼作用。前挡板与气室前墙之间的水平距离固定为0.4 m，并且前挡板以及气室的前墙采用了拼接式可调节结构，以方便研究二者的尺寸变化对装置受力的影响。

图2 U型振荡水柱防波堤气室模型

1.2 试验布置

本文水工模型试验在中国海洋大学水动力学实验室的波流水槽中开展，水槽总长30 m、高1.2 m、宽1 m，推板式造波机安装在水槽前端，水槽末端布置多层消波网，以减少波浪反射。装置安装在距离造波板25 m处，以充分利用水槽长度，减少波浪反射的影响，如图3所示。该装置气室的试验模型均为聚甲基丙烯酸甲酯(俗称亚克力)材质，厚度为5 cm，气室前墙与挡板间距为0.4 m，气室长0.6 m、宽1.0 m、高1.0 m。气室前墙高度Hc，前挡板高度Hd。气室后壁固定装有orifice的输气管，长度0.45 m，管径9 cm，其作用是代替后端的透平产生压降，如图4所示。试验采用DJ800型点压力传感器，压力探头直径为8 mm，长度为 37 mm。气室前墙依次布置6组压力传感器，以实时采集气室前墙所受到的波浪力变化，如图5所示。试验采用规则波作为入射波浪条件，平均波高H取4 cm、8 cm和12 cm三组，入射波平均周期T取1 s、1.5 s和2 s三组，水深固定为0.75 m。

图3 水工物理试验布置

图4 气室装置结构示意图 图5 压力传感器布置

2 试验结果分析

2.1 波浪条件对气室前墙和前挡板受力的影响

波浪条件是影响U型振荡水柱防波堤受力的直接因素，本节将分析入射波波高及周期对气室前墙受力的影响。试验选取三组模型结构。(1)模型1。气室前墙高度Hc=0.7 m，前挡板高度Hd=0.6 m；(2)模型2。气室前墙高度Hc=0.6 m，前挡板高度Hd=0.5 m；(3)模型3。气室前墙高度Hc=0.5 m，前挡板高度Hd=0.4 m，气室前墙的受力结果如图6所示。图中横坐标采用无量纲量λ/d，定义为波长与气室长度的比值，纵坐标表示气室前墙在10个波浪周期内，所受水平方向波浪力峰值与谷值的平均值，用Fh表示。

6-a Hc=0.7 m, Hd=0.6 m6-b Hc=0.6 m, Hd=0.5 m6-c Hc=0.5 m, Hd=0.4 m

当气室前墙高度Hc为0.7 m，前挡板高度Hd为0.6 m时，如图6-a所示，气室前墙所受的水平波浪力Fh随着入射波波高及周期的增大而逐渐增大，并且当U型振荡水柱的结构尺寸发生变化，该规律依然存在。当气室前墙高度为0.5 m，前挡板高度为0.4 m时，如图6-c所示，在大周期情况下，波高为8 cm和12 cm下的Fh非常接近，并且明显大于波高为4 cm时的水平波浪力。

当气室前墙高度Hc为0.7 m，前挡板高度Hd为0.6 m时，从图7中可以看出，在同一波高下力会随着周期的增加而增加。同样当周期固定时，力会随着波高的增加而增加。通过试验发现，其他结构形式也符合相应规律。

图7 波高对前挡板受力的影响

2.2 前挡板对气室前墙受力的影响

本节将研究U型振荡水柱防波堤的前挡板对气室前墙所受波浪力的影响。当气室前墙Hc为0.5 m时，不同前挡板高度下，前墙所受水平方向的波浪力如图8所示。由图可见，在三组入射波波高情况下，防波堤气室前墙所受的水平波浪力均随着U型OWC前挡板高度Hd的增大而逐渐减小，这说明前挡板结构对波浪有一定的阻碍作用，其存在可在一定程度上减小原有气室所受的波浪力。同时，随着入射波波高及周期的增大，前墙所受的波浪力将逐渐增大。当入射波波高H=12 cm，如图8-c所示，在三组入射波周期下，前挡板高度的变化对前墙受力的影响不如小波高条件下明显，并且周期T从1.5 s增大到2 s时，Fh的增幅变缓。

8-a H=4 cm8-b H=8 cm8-c H=12 cm

当前墙高度Hc调整增大到0.6 m和0.7 m时，分别如图9和图10所示，气室前墙所受的波浪力同样随着前挡板高度的增大而减小，入射波波高与周期对Fh的影响规律与Hc为0.5 m时类似。当Hc=0.7 m时，小波高条件下，前挡板的高度变化对前墙所受的波浪力影响有限。

9-a H=4 cm9-b H=8 cm9-c H=12 cm

10-a H=4 cm10-b H=8 cm10-c H=12 cm

2.3 气室前墙对前挡板受力的影响

前墙高度对于传统OWC结构以及U型装置都是重要的结构参数，其高度影响着气室的受力以及装置的能量转换效率。通过前面分析可知，随着入射波高的增大，结构的受力会随之增大，因此本节选取入射波高H=12 cm时，研究前墙高度的变化对前挡板受力的影响。从图11-a可以看出，当前挡板高度固定为0.4 m时，不同高度的气室前墙对前挡板受力的影响不大。这种现象可能是当前挡板吃水高度小于一个临界值时,前墙高度在一定范围变化并不会对前挡板的受力造成明显的影响。从图11-b可以看出，当前挡板固定为0.5 m，在不同周期条件下，前墙高度0.7 m时的受力总是大于另外两个高度。分析得出，当前挡板高度相对较高时，过高的前墙高度造成的波浪反射还会作用于前挡板上，导致前挡板受力的增加。但是当前墙高度有所下降时，这种下降的程度并不能对前挡板的受力造成明显的影响。从图11-c中可以清楚看出，前挡板固定高度0.6 m时，前挡板的合力会随着前墙高度的降低而下降，最大前墙高度0.7 m的结构受力总是处在最大值，而最小前墙高度0.5 m的结构受力总是为最小值。造成这样现象的原因是，当前挡板较高时，从前墙反射回来的波浪作用到前挡板上，当前墙高度较高时，反射的波能也相对较大，因而更多的波浪力作用在前挡板上,而随着前墙高度的下降,之前反射到前墙的一部分波浪进入了气室内，而且进入到气室内的波浪量会随着前墙高度的减小而增加。

11-a Hd=0.4 m11-b Hd=0.5 m11-c Hd=0.6 m

3 结语

本研究通过水工物理模型试验，考察了U型振荡水柱防波堤在不同波浪条件下的受力情况，并总结了结构尺寸变量对装置受力的影响规律，从而为这种新型结构的受力以及稳定性相关研究提供了参考。研究主要发现，入射波浪条件对U型振荡水柱防波堤气室前墙和前挡板所受的波浪力均有较大的影响，随着波高和周期的增大，气室前墙和前挡板的受力将逐渐增大。此外，气室前墙所受的水平波浪力均随着U型OWC前挡板高度的增大而逐渐减小，前挡板结构的存在可在一定程度上减少入射波浪对气室的冲击作用。前挡板高度较小时，前墙高度对前挡板所受水平波浪力的影响较小。前挡板高度较大时，随着前墙高度的增加，前挡板所受水平波浪力随之逐渐增加。

本文对U型振荡水柱防波堤的受力情况进行了初步讨论，受试验条件的限制，此次研究开展的工况相对较少，后期可考虑更多的变量，例如前墙与前挡板的宽度、前墙厚度、水深等对装置受力的影响。