一种新型浮式防波堤的消浪特性研究

沈文君，曲健冰，李 焱，高 峰

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456；2.中国船级社海洋工程技术中心，天津300457）

一种新型浮式防波堤的消浪特性研究

沈文君1，曲健冰2，李 焱1，高 峰1

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456；2.中国船级社海洋工程技术中心，天津300457）

文章通过AQWA软件，数值研究了“”字型浮式防波堤在规则波作用下的水动力特性，探讨了相对入水深度对结构消浪性能的影响。计算结果表明：不同改变相对入水深度的方法，透射系数变化规律不同，透射系数随着结构吃水的增加而明显减小；透射系数随水深增加发生的变化较小。浮箱结构吃水的变化引起的相对入水深度的改变对消浪效果的影响要大于因水深变化而引起的相对入水深度的改变。

浮式防波堤；消浪性能；透射系数；相对入水深度

随着人类对海洋资源的进一步开发，浮式防波堤作为一种灵活、简洁、拆装方便且节能环保、造价相对经济的新型结构物而备受关注。浮式防波堤通常由堤体和锚泊系统组成，近年来国内外很多研究人员针对其展开了大量的研究。Atilla Bayram对浮式防波堤的透射系数进行了系列试验研究，锚固系统和防波堤系统不变，研究波高和波陡对透射系数的影响［1］。侯勇对矩形浮式防波堤的运动特性和锚链受力进行了系统的试验研究，得到了规则波作用下浮堤模型在不同影响因素条件下的消浪性能和运动特性［2］。Dong等提出了一种板-网形式的浮式防波堤，并对其水动力特性开展了试验研究，讨论了堤宽、刚性、网数等因素对防波堤消浪性能的影响［3］。Ioanna数值研究了频域条件下垂直导桩式浮防波堤在波浪作用下的消波性能，并将其与相应的刚性浮式防波堤的消波性能进行比较，结果表明结构刚度和波向对柔性防波堤的消波性能有很大的影响［4］。王环宇提出了由菱形模块拼装的多孔浮式防波堤的结构型式，并对其消浪性能及系泊型式、以及影响系泊力的因素进行了研究［5］。陈智杰等在线性化势流理论范围内求解了方箱-水平板浮式防波堤的波浪绕射和辐射问题，从时域角度分析了浮式防波堤的水动力特性［6］。刘海成研究了一种新型（凹菱形）浮式防波堤的透浪系数，并与现有的浮箱式、废旧轮胎式、浮筏式等浮式防波堤进行了对比［7］。

1 结构基本参数和计算条件

1.1 理论基础

本研究运用AQWA的Line和Naut模块来模拟浮式防波堤的二维运动，约束防波堤的三个方向的自由度，使其只产生横荡、垂荡和横摇三个方向的运动。Line模块是用于计算浮箱结构在规则波中响应问题的计算程序，可以计算由波浪辐射/衍射引起的任意形状的浮箱结构周围的波浪力。其使用典型的格林函数法求解浮箱结构的波浪力，同时求得浮箱的附加质量和辐射阻尼、三个自由度方向上的运动、响应的稳态波浪漂移力等。Naut模块用于计算在特定波浪条件下，浮箱运动时间历程，计算时调用Line数据文件的附加质量、辐射阻尼及绕射力，再考虑浮箱结构间停泊线的影响，计算浮箱的运动响应。它重新计算每个时间步长的水动力载荷的F-K部分，计算时考虑浮箱的湿表面面积的变化及吃水的变化引起的非线性动力学效应。

1.2“ ”字型浮箱的基本参数

其结构型式及尺度如图1所示。即在16 m宽和4 m高的方箱沿两侧和水下分别增设2 m长的悬臂，目的是增大方箱的宽度和入水深度，同时利用所形成的两侧和底部空腔消波，从而提高浮箱的消波效果，并可节省一定的工程材料；在方箱下部均匀配重，以降低重心，提高浮体稳性。

1.3 计算工况及参数

（1）计算工况。

方案一：如图1所示，保持底悬臂长2 m，浮箱入水深度为5 m（包括底悬臂的长度2 m），重心位置离底1.5 m，水深为20 m、24 m、30 m、50 m和100 m，相对入水深度分别为0.25、0.208 3、0.167、0.1和0.05；

图1 方案一中‘’型浮防波堤结构示意图Fig.1 Structure diagram of a type of‘’floating breakwater for Scheme 1

方案二：如图2所示，保持底悬臂长2 m，不变提高浮箱重心，使得浮箱入水深度为4 m（包括底悬臂的长度2 m），重心位置离底2 m，水深为20 m，相对入水深度为0.2；

图2 方案二中‘’型浮防波堤结构示意图Fig.2 Structure diagram of a type of‘’floating breakwater for Scheme 2

（2）计算参数。

锚链直径d取100 mm，弹性模量为38.8 Gpa，迎浪面和背浪面对称布置，锚链间距15 m，锚链拖地长度St=0 m，锚链导链孔夹角θ=30°。

入射波为规则波，波高HI=1.0 m；波周期T=5 s、6 s、7 s、8 s。

图3 浮式防波堤的水动力模型（入水5 m）Fig.3 Hydrodynamic model of floating breakwater with the 5 m immersed length

2“开”字型浮箱的数值模型建立

根据以上资料参数，采用有限元软件ANSYS，建立浮式防波堤的三维实体模型，通过anstoaqwa语句将防波堤的有限元模型导入到AQWA软件中，根据计算需要以及模型参数进一步修改其他水动力要素，如浮式防波堤的质量、重心、转动惯量、工作域的水深以及入射波的频率和方向等，从而建立完整的水动力模型，浮式防波堤的水动力模型如图3～图4所示，其中，坐标原点位于水线面处。在Aqwa⁃naut模块中建立系泊系统的模型，如图5所示。其中波高监测点建在防波堤堤后120 m处。

图4 浮式防波堤的水动力模型（入水4 m）Fig.4 Hydrodynamic model of floating breakwater with the 4 m immersed length

3 数值结果分析

（1）相对入水深度相同，改变水深与吃水对消浪效果的影响。

方案一中水深为24.0 m时，结构的相对入水深度为0.208

3，方案二的相对入水深度为0.2，相对入水深度基本相同，将二者的结果进行对比，如图6所示，从中可以看出，在相同入射波高条件下，透射系数均随着波长L的增大而增大，而，所以透射系数也随着波浪周期的增加而增大。

相对入水深度基本相同情况下，水深和浮箱吃水均变小后，透射系数有所变大，主要原因一是水深不同，波能分布不同；二是吃水减小，防波堤阻挡水体的面积变小，从箱体下部透射过去的波浪能量就越多；三是减小浮箱的吃水后，浮箱的总质量会降低，浮箱的重心会提高，浮心和转动惯量等参数也会发生变化，其运动特性即随之变化，浮体的运动量会有所增大，也同时增加了浮体的二次造波，进而增大了透射系数。

（2）水深条件相同，改变吃水对消浪效果的影响。

当方案一的水深条件和方案二相同，为20 m时，通过改变结构的吃水来改变相对入水深度，方案一的相对入水深度为0.25，方案二的相对入水深度为0.2。图7为方案一（水深20 m）与方案二消浪效果的结果对比图，从中可以看出，透射系数随着入水深度的增加而明显减小。图8为方案一（水深24米）与方案二的对比结果，可以看出虽然两个方案的相对入水深度不同，但透射系数相差不大。纵观图7和图8可以得出，浮箱结构吃水的变化（改变了浮箱的质量特性）而引起的相对入水深度的改变对消浪效果的影响要大于因水深变化而引起的相对入水深度的改变。图6～图9中横坐标B/L表示浮式防波堤的相对宽度，即浮堤自身宽度与波长之比。

图5 防波堤及系泊系统模型整体示意图Fig.5 Sketch of the whole model

图6 方案一（水深24 m）与方案二的结果对比（HI= 1.0 m）Fig.6 Results of Scheme 1 with 24 m water depth and Scheme 2（HI=1.0 m）

图7 方案一（水深20 m）与方案二的结果对比（HI=1.0 m）Fig.7 Results of Scheme 1 with 20 m water depth and Scheme 2（HI=1.0 m）

图8 方案一（水深24 m）与方案二的结果对比（HI=1.0 m）Fig.8 Results of Scheme 1 with 24 m water depth and Scheme 2（HI=1.0 m）

图9 不同水深的结果对比（HI=1.0 m）Fig.9 Results of different water depths

（3）吃水不变，改变水深对消浪效果的影响。

图9是不同水深的结果对比图，从图中可以看出，当B/L在0.2附近时（对应波浪周期为8 s），各水深条件下的透射系数大体相同；其他波浪周期对应下的透射系数大体上随着水深的增加而略有增加。但总体而言，各水深条件下的结果变化较小。这是由于水质点的波动随深度的增加而逐渐微弱甚至静止，波浪的动能大部分靠近水面附近。

4 结论

本文根据浮式防波堤的资料参数，采用有限元软件ANSYS建立了浮式防波堤的“”字型三维实体模型，导入到AQWA模块中，通过绕辐射理论研究了浮式防波堤在规则波作用下的水动力特性，探讨了相对入水深度对结构消波性能的影响，得到以下认识：

（1）在相同入射波高条件下，透射系数均随着波浪周期的增加而增大，即结构对长周期波的消弱作用较差，对短周期波的消弱作用较好。

（2）浮箱结构吃水的变化（改变了浮箱的质量特性）而引起的相对入水深度的改变对消浪效果的影响要大于因水深变化而引起的相对入水深度改变。

（3）各水深条件下的结果变化较小：当波浪周期为8 s时，各水深条件下的透射系数大体相同；其他波浪周期对应下的透射系数大体上随着水深的增加而略有增加。

［1］Bayram A.Experimental study of a sloping float breakwater［J］.Ocean Engineering，2000，27：453-455.

［2］侯勇.单方箱-锚链式浮防波堤水动力特性试验研究［D］.大连：大连理工大学，2008.

［3］Dong G H，Zheng Y N，Li Y C，et al.Experiments on wave transmission coefficients of floating breakwaters［J］.Ocean Engineering，2008，35：931-938.

［4］Ioanna D，Demos C A，George D M.Performance of pile⁃restrained flexible floating breakwaters［J］.Applied Ocean Research，2008，30：243-255.

［5］王环宇.多孔浮式防波堤的实验研究与数值模拟［D］.大连：大连理工大学，2010.

［6］陈智杰，董华洋，曾志，等.波浪作用下方箱-水平板浮式防波堤时域水动力分析［J］.台湾海峡，2012，31（1）：114-120. CHEN Z J，DONG H Y，ZENG Z，et al.Time⁃domain hydrodynamics analysis of pontoon⁃plate floating breakwater under waves ac⁃tions［J］.Journal of oceanography in Taiwan strait，2012，31（1）：114-120.

［7］刘海成，曹玉芬，陈汉宝.新型浮式防波堤消浪效果试验研究［J］.水利科技与经济，2014，20（1）：19-23.

［8］李焱，肖辉，李松喆，等.“”型浮箱式防波堤运动特性和锚链力试验［J］.水道港口，2015（6）：474-480. LI Y,XIAO H,LI S Z,et al.Experimental study on motions and mooring forces of-type pontoon floating breakwater［J］.Journal of Waterway and Harbor，2015（6）：474-480.

［9］李松喆，李焱，刘海源,等.型浮箱式防波堤消浪特性试验研究［J］.水道港口，2016（2）：115-120. LI S Z,LI Y,LIU H Y,et al.Experimental study on wave dissipation of new type pontoon floating breakwater［J］.Journal of Water⁃way and Harbor，2016（2）：115-120.

Study on wave attenuation performance of a new floating breakwater

SHEN Wen⁃jun1,QU Jian⁃bing2,LI Yan1,GAO Feng1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2. China Classification Society Offshore Engineering Technology Center,Tianjin 300457,China）

The hydrodynamic characteristic of floating breakwater was numerically studied using the software AQWA under the action of regular wave in this paper.The effect of relative water depth on the wave attenuation per⁃formance was discussed.The calculation results show that,the change of transmission coefficient is different in dif⁃ferent method of altering the relative water depth.The coefficient decreases obviously with the increase of scantling draft,and it changes small with the water depth.So the change of relative water depth owing to scantling draft plays a greater influence than the other.

floating breakwater;wave attenuation performance;transmission coefficient;relative water depth

TV 139.2

A

1005-8443（2016）03-0260-04

2015-05-04；

2015-07-23

交通运输部应用基础研究项目（2013329224230）

沈文君（1984-），女，河北省人，博士研究生，主要从事浮式结构物的运动特性研究。

Biography：SHEN Wen⁃jun（1984-），female，doctor student.