浮式防波堤形状对挡浪消波效果的影响分析

2022-05-12张腾飞南通高等研究院有限公司

珠江水运 2022年8期

◎ 张腾飞南通高等研究院有限公司

张浩中设科欣设计集团有限公司南京港航工程分公司

孙雷中交四航工程研究院有限公司

1.引言

随着工程建设和海洋资源开发不断拓展，工程建设向远海化、深水化方向发展趋势明显；加之21世纪海上丝绸之路的建设，港口及近岸工程施工遇到海况条件更为复杂。港口、码头和防波堤作为主要的近岸水工建筑物为海洋运输提供了良好的平台，防波堤作为一种典型的消浪结构，起到了抵挡外海波浪入侵，保护港域内波浪平稳、船舶安全作业的作用。相较于传统的重力式防波堤，浮式防波堤的提出为海洋工程的初期建设提供了经济有效的临时掩护，具有受水深及海床条件的影响较小、环境友好、海水交换能力强、受潮汐变化影响小等优点。

王永学和王国玉系统地介绍了近几十年来国内外浮式防波堤结构的研究进展与工程应用情况。讨论了浮箱式、浮简式、浮筏式等类型的浮式防波堤结构的消浪性能，波浪反射与透射系数的计算方法，相对宽度、相对水深、波陡等参数对浮式防波堤结构透射系数的影响，分析了目前限制浮式防波堤结构实际工程应用的主要困难。宋宪仓和王树青考虑了方箱型、π型、方箱-水平板型、Y-型和A-frame型等浮式防波堤结构，利用Flow3D软件数值计算了在相似条件下消波性能，结果表明，Y-型的性能最优，方箱型性能最差，其他三种结构介于两者之间。姚国权等提出了几种经过改进的矩形浮式防波堤进行了规则波试验，比较了不同矩形浮式防波堤和不同于弦高度与吃水，选出了浮堤的最佳结构形式。侯勇等通过物理模型实验研究了规则波作用下矩形浮箱式浮防波堤的运动特性和锚链受力特性，并探讨了浮箱相对宽度、锚链刚度、导链孔处锚链与水平线夹角等因素的影响。何超勇等通过物理模型试验，探讨矩形方箱锚链锚泊浮式防波堤透射系数随浮箱宽度，吃水深度，锚链初始张力等因素的变化规律，研究结果表明，增大浮箱的宽度和吃水深度,可以减小透射系数；增加锚链的初始张力,可以限制浮箱运动,减小透射系数。丁宁等针对V形浮式防波堤设计和结构分析中波浪力(矩)的确定问题,分析了在规则波作用下防波堤湿表面的动压力及幅值分布规律，基于三维线性频域势流理论并考虑绕射作用，利用边界元法通过计算有限水深格林函数，求解了防波堤周围流场的速度势，根据流场速度势由线性伯努利方程确定了动压力，沿防波堤湿表面数值计算了规则波作用下动压力及其幅值的分布。程建生等数值结果给出了不同入射波波长及防波堤不同垂向沉深时防波堤周围波幅的等高线图，认为圆弧型浮式防波堤的防浪效果与入射波波长和防波堤的垂向沉深密切相关，给出了圆弧型浮式防波堤防浪效果计算的解析方法。陈诚等基于三维势流理论，通过使用Ansys AQWA对多体浮式防波堤在不同入射角和浮筒吃水深度下的消波效果展开研究，结果表明，多浮筒浮式防波堤能够最大程度地消减波浪，透射系数随吃水深度的增加而不断减小，实际工程中应尽量保证浮式防波堤的迎浪面与波浪的来波方向垂直。仇正中等开展了针对圆柱形柔性浮式防波堤的试验研究，分析其在规则波和不规则波作用下的消浪特性，通过大量水槽试验给出了圆柱形柔性浮式防波堤透射系数,反射系数,衰减系数与锚固方式,试验水深,相对宽度的变化关系。陈翔自主设计了三种不同构型的浮式防波堤,对其水动力性能与消波性能展开了研究，通过对比主尺度相同但构型不同的三种浮式防波堤,研究不同构型对消波性能和水动力性能的影响,得到较优的构型设计。

图1 入射波示意图

本研究拟探究典型海况下一字型、V字型、半圆型防波堤和半框型浮式防波堤的挡浪效果，使用势流理论，考虑入射波、绕射波和反射波的作用，对提出的4种典型形状浮式防波堤的挡浪效果进行对比分析，并讨论不同波浪周期下浮式防波堤的挡浪适应性。

2.数学方程

在微幅波假设的基础上，通过对控制方程及边界条件进行线性化处理，可以对结构物在自由液面上的运动流场中的速度势(,,,)进行求解。对于不可压缩的理想流体，在无旋场中，速度势满足拉普拉斯方程：

势函数根据浮体运动可以划分为入射波势、衍射势和散射势，具体的效应产生的力可由对应波势进行计算：

（1）浮体受到波列的作用问题，作用在浮体上的波浪力可以考虑为波浪激发的力，通常可以分为两部分，F-K力和绕射力。

（2）浮体运动对波势的影响，浮体的运动将会使得流体作用在浮体上产生辐射波应力，这些力将会用附加质量和波浪阻尼系数来表示。

考虑衍射辐射的一阶波浪力的势函数可写为：

式中：φ为入射波势，φ为衍射波势，φ为j自由度运动产生的波势，x为j自由度运动，为入射波频率。

无扰动三维入射波势可以表示为

式中：d为水深，k为波数，为波浪入射角（与x轴夹角）。

当势函数求解出来后，一阶水动压力分布可根据线性伯努利方程求解

式中：F为j自由度运动激发的力，为表面法向量，为浮体湿表面。

波浪对浮体产生的力（入射力）可表示为下面两部分：

由运动产生的辐射力可表示为：

根据以上所述，综合上述的各类波浪力，可得到浮体在频域下的一阶运动方程，即浮体在波浪下的的响应：

其中，M(s)为结构质量矩阵，M(a)为水动力附加质量矩阵，C为系统线性阻尼矩阵，K(s)为系统总刚度矩阵，F为系统所受的波浪力（单位波高），X为幅值响应算子。

3.数值分析

3.1 坐标系

基于三维势流理论和切片理论，采用右手笛卡尔坐标系来定义系统：空间固定坐标系o-xyz，空间坐标系的原点固定于未扰动的静水面上，ox指向浮体首向，oy指向浮体左舷，oz垂直向上。空间固定坐标系用以引入入射波，入射波的浪向设置为-180°～180°，浪向角定义为来波方向与x轴逆时针方向的夹角，180°浪向为迎浪、135°浪向为首斜浪、90°浪向为横浪。

3.2 模型参数

为探究典型海况下不同形状浮式防波堤的挡浪消波效果，分别提出一字型、V字型、半圆型和半框型四种结构形式浮式防波堤，其挡浪宽度和长度相同，讨论不同结构形式浮式防波堤在同一波浪条件下（波高和周期）的挡浪消波特性。

四种形式浮式防波堤的直径取8m，吃水均为6m，一字型浮式防波堤长度（迎浪面宽度）为80m；V字型浮式防波堤的夹角为60°、单边边长为80m；半圆型浮式防波堤的直径为80m；半框型浮式防波堤的迎浪面宽度为80m、两短边均为40m，各模型的形状和坐标系如图2所示。

3.3 水动力建模

海洋工程势流分析软件ANSYS AQWA是基于三维势流理论开发，是一套集成模块，因其仅在结构与水体的接触面进行离散，计算总未知数相对较少，求解效率很高，可以方便地对各种施工工况进行组合，非常适用于工程计算。基于该优势，利用海洋工程浮体分析软件AQWA分别对四种结构形式浮式防波堤进行水动力建模和分析。依据四种结构形式浮式防波堤的尺寸，建立各型浮式防波堤的三维结构模型（如图2所示）。

图2 四种浮式防波堤浪的形状

依据三维结构模型形成面模型，并以水线面为界面划分水上和水下两部分，将其水上和水下两部分按网格单元最大长度1m、特征容差0.5m的规格划分网格，四种防波堤分别生成6210、11555、9296和6210个面网格，并设置对应的防波堤质量、重心和转动惯量，获得各类浮式防波堤的水动力模型如图3示。

图3 四种浮式防波堤浪的网格划分

3.4 数值求解

在AQWA中添加外部环境的水深20m、海水密度1025kg/m、重力加速度为9.806m/s，以及三维水动力模型的质心、质量点、惯性半径，由AQWA自动控制计算水动力模型的重量和惯性质量。取波浪周期分别为5s～20s（共计16个周期）；波浪遭遇角分别为0°。分析四种防波堤分别挡浪时海面波幅和挡浪效果。

4.结果分析

4.1 评估指标

采用消波效率对浮式防波堤的消波效果进行评估，消波效率按下式进行计算。透射波高越小，消波效率越高，其挡浪消波能力就越好。

式中，H为透射波高；H为入射波高。本研究中，透射波高和入射波高均为浮式防波堤前后特定位置的波幅。

4.2 结果分析

考虑入射波、绕射波和反射波的作用，获得四种浮式防波堤迎着周期6s波浪的区域波幅图，如图4所示，图5为四种浮式防波堤的堤后波幅曲线和消波效率曲线。

分析图4中不同类型的临时挡浪挡浪的波幅图分布可知，V字型浮式防波堤对波浪反射不明显，V型两边尾端出现了局部壅高现象；一字型浮式防波堤和半框架型浮式防波堤前波形受形状影响较大，反射明显，半框架型防波堤的堤后挡浪区域最广，V字型浮式防波堤的挡浪区域面积最小。

图4 各型防波堤在迎6s波浪时波面图

分析图5中各型防波堤在迎6s波浪时挡浪效果，一字型浮式防波堤堤后波幅下降剧烈，挡浪效果良好，但是波幅很快就单调恢复至堤前的状态；V字型浮式防波堤堤后波幅变化明显，堤后有一个小波幅的三角区域；半圆型防波堤和半框型防波堤的堤后波幅维持一个小波幅区域。可以认为，单从堤后波幅来评估，一字型浮式防波堤挡浪效果最好，半圆型防波堤和半框型防波堤的挡浪效果较为稳定。

图5 各型防波堤在迎6s波浪时挡浪效果

4.3 波浪周期适应性

为了对比以上各型浮式防波堤在不同周期波浪中的挡浪适应性，分别计算其在周期为6s、8s、10s、12s、14s、16s、17s和20s波浪中的挡浪效果，不同周期波浪中堤后波幅见图6所示。随着波浪周期的增大，堤前波浪的反射减小，堤后波幅接近入射波，且变化更加平缓。周期为6s的波浪下，各型浮式防波堤能挡住50%以上的波浪；周期为8s的波浪下，各型浮式防波堤能挡住20%以上的波浪；当波浪周期超过10s以上，各型浮式防波堤基本不具备挡浪的效果。