一种波能发电开孔浮式防波堤的数值模拟研究★

李佳繁，郑艳娜，林裕强，陈昌平，杨 杰

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116024)

1 概述

如今的社会已进入全面高速发展的时代，这种发展格局不仅仅只局限于陆地，海洋蕴藏着丰富的可再生能源,而这些尚未完全开发的能源若是经过合理开发及利用，那么将对人类的生产活动以及经济增长带来空前的帮助，于是，在这样的环境下，就必须具备一些必要的保护海洋环境安全的工程及设施装备，例如防波堤工程。与传统防波堤相比，浮式防波堤具有海水交换功能强、不需要进行地基处理、安放位置可变、施工速度快等优点[1]。另一方面海洋清洁能源的开发利用是助力双碳目标，实现绿色发展的重要途径。波浪能被认为是最佳的清洁能源之一，越来越引起人们的关注。因此研发具有较好的消浪性能并可以兼顾波浪能发电等多种功能的浮式防波堤是近年来浮式防波堤研究的热点。

相对于单体浮式防波堤，双体浮式防波堤结构对波浪的反射和耗散效果更好[2]。Williams等[3]基于势流理论，利用边界元方法对刚性连接的双箱式浮式防波堤及两个未连接的方箱浮式防波堤的消浪效果进行模拟，结果表明浮堤的宽度、吃水、两浮箱间距、锚链刚度对其反射系数有一定影响。Koftis等[4]对固定双浮箱式防波堤的消浪效果进行模拟，结果表明透射系数随相对宽度的增大而减小。沈雨生等[5]对刚性连接的双浮箱式浮式防波堤进行了物理模型试验，可以得到其透射系数均小于前后浮箱自由的双浮箱式浮堤与相同宽度的单浮箱式浮堤。Shunichi Ikesue等[6]对带有内外翼板的双浮箱式浮式防波堤进行了物理试验研究，结果表明，透射系数随着相对宽度的增大逐渐减小，内外翼板对波浪能量也有一定的消减作用。杨彪等[7]对双浮箱-双水平板式浮式防波堤进行了规则波的物理模型试验研究，研究表明在双箱结构上加双水平板，透射系数最多减小0.4左右。郑艳娜等[8]采用边界元方法对系泊的双箱浮式防波堤结构进行时域数值模拟，并对其透射系数进行计算，与试验结果比较变化趋势相一致，由于未考虑摩擦及波浪破碎等因素，计算结果偏大。

浮式防波堤应用开孔方箱可以使波浪充分掺杂破碎，有效减小透射系数，增强消浪效果。王环宇[9]针对一种菱形模块拼装成的多孔浮式防波堤进行了测试，内容包括浮堤的消浪性能及系泊缆的受力，通过改变不同的结构参数，得出了浮堤内部几何构造对透射系数及系缆力的影响较大的结论。胡文清等[10]通过数值模拟与物理模拟结合的方法，研究了孔隙率对结构水面消波特性的影响，结果表明，消波效果并不由孔隙率决定，孔径小的结构消波效果更好。

振荡水柱式(OWC)波浪能发电技术装置应用较广，其工作原理是利用波浪上下浮动，浮在海面上的结构腔体内部的水面不断起伏，内部空气不断被挤压，在OWC排气口设置透平装置，使压缩的空气带动发电装置进行发电。国内外对OWC发电装置的研究一直在进行，随着研究的不断深入，从最初的小型装置到后来的大型装置，从近岸式转变为离岸式，从浅海一步步转变到深海，都为OWC与浮式防波堤的结合奠定了基础[11]。HE等[12]提出了一种将振荡水柱装置与浮式防波堤结合的结构，系泊缆绳松弛，结果表明，该防波堤对长周期波浪的消波效果较传统浮式防波堤有一定提升。HE等[13]利用物理实验研究了桩基支撑的振荡水柱结构式防波堤的消浪性能，研究表明该结构对波浪具有良好的吸收与耗散能力。

本文提出一种将振荡水柱(OWC)波能发电装置与开孔方箱相结合的双体浮式防波堤，本模型在前方箱中嵌入OWC装置，后方箱做开孔处理，这样可以在有效消除波浪的同时合理利用海洋能。本文对其消浪特性展开研究，通过与相似结构的浮式防波堤进行比较，得出这种新型防波堤的透射系数的变化规律，为实际工程应用提供理论基础。

2 计算模型

2.1 模型的基本结构

建立波能发电开孔浮式防波堤模型，基本结构为两个浮箱，前方箱为嵌入OWC的方箱，后方箱为开孔方箱，开孔率为16.7%，其目的在于使透过前方箱的波浪进一步破碎与耗散，达到更好的消能效果，为了保持结构的稳定性与消浪效率，开孔间距不宜过大或过小，模型如图1所示。单个方箱的尺寸为18 m×12 m×8 m，吃水深度为5 m，来浪方向为沿x轴正向，水深为h，方箱间利用挡板相连，挡板长度为d，锚链平行布置，采用八字锚泊方式，拖地长度为l，各部分构件之间刚性连接，布置示意图见图2。

2.2 数值模拟条件

数值模拟波浪采用规则波，周期为5 s～15 s(6种周期)，不同水深，不同入射波高等。具体计算工况见表1。

表1 计算工况

3 数值建模

本文应用ANSYS AQWA，基于三维势流理论，将流体看作理想流体，利用Rhino创建浮体结构实体模型，读入ANSYS Workbench中，对其修正后将水面以下的结构划分若干网格进行计算。主要应用模块包括：AQWA-Line频域水动力求解模块，模拟浮式防波堤在规则波中的运动响应，基础理论有波浪的辐射、衍射理论、格林函数。AQWA-Liberium静平衡计算模块，分析浮式防波堤前后浮箱平衡位置的稳定性。AQWA-Drift平均湿表面时域计算模块，基础理论有二阶力、时域非线性理论。AQWA-Naut瞬时湿表面时域计算模块，在特定波浪要素下，分析前后浮箱运动时间历程[14-19]。

浮式防波堤的透射系数一般用堤后透射波高Ht与堤前入射波高Hi的比值来表示，即：

4 数值模拟验证

为了验证本文数学模型计算的准确性，对振荡水柱(OWC)结构进行模拟，并将结果与王鹏[20]的试验结果对比，如图3所示，可以看出两者吻合良好。为了验证锚链系泊的开孔浮堤的计算准确性，将本文数学模型计算结果与刘心媚[21]的试验结果进行比较，如图4所示，可以看出结果基本一致。

通过以上算例的验证可以说明，本文的数学模型可以比较准确的模拟OWC结构以及系泊开孔浮堤周围波浪场的情况。

5 数值模拟结果分析

5.1 结构比选

为了确定浮式防波堤的结构模式，分别对双箱、嵌入OWC的方箱-方箱、方箱-开孔方箱及嵌入OWC的方箱-开孔方箱四种结构进行模拟计算。选取双体结构间距为d=12 m，波高H=1 m，3 m，5 m。四个模型的透射系数结果如图5所示，图5中横坐标为波浪周期T，纵坐标为透射系数Kt。通过对比四种浮堤的透射系数可以看出，双箱的透射系数比较大，在长波(T>9.63 s)情况下，有开孔方箱结构的透射系数小于不开孔方箱结构，在短波(T=5 s)情况下，嵌入OWC的单箱-单箱结构透射系数较小。经过综合比较可以看出，嵌入OWC的方箱-开孔方箱的新型浮式防波堤对长波的消浪性能有所提高，同时OWC方箱可以对波浪能进行利用，具有较好的应用潜力。

5.2 周期对消浪效果的影响

图6给出两种水深(h=18 m，25 m)、两种入射波高(H=1 m，3 m)条件下的可发电开孔浮堤透射系数变化情况。从图6可以看出，在波浪周期比较小时，结构的透射系数较小，即消波效果更好，在波浪周期较大时(T≥8.63 s)，周期的改变对透射系数影响不大。当周期由8.63 s减小到5 s时，透射系数明显减小，尤其是在6.95 s～5.82 s段，减小趋势非常明显。总得来看，波浪周期越小，结构的消浪性能越好。

5.3 水深对消浪效果的影响

由图6可以看出，在相同入射波高时，水深18 m的透射系数明显小于水深25 m，尤其在周期T=8.63 s～5.82 s内。而且值得注意的是，当入射波高为3 m时水深18 m的透射系数要小于入射波高为1 m时水深25 m的透射系数，也就是说，相较于入射波高，水深对消浪性能的影响更大一些。总体来说，水深越小，透射系数越小，这是由于水深变小相当于增加了结构的吃水深度，使结构的挡水面积增大，可以阻挡更多的波浪，挡浪效果变好。

6 结语

本文利用ANSYS AQWA对一种新型波浪能发电开孔浮式防波堤进行了数值模拟，讨论了周期、水深等因素对浮堤透射性能的影响规律，得到以下结论：相较于相似结构，波浪能发电开孔浮式防波堤消浪效果较好，尤其对长波有一定的改进；周期对OWC-开孔式浮式防波堤的消浪性能影响较明显；水深对OWC-开孔式浮式防波堤消浪性能的影响较大，水深较小时浮堤的消浪性能较好。