浮式防波堤拖航阻力性能研究

林 堅，姚震球，蔣志勇

(江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江212003)

防波堤主要是為了阻斷波浪的沖擊力、圍護港池、維持水面平穩以保護港口免受惡劣天氣的影響、方便船舶安全停靠和作業而修建的水中建筑物.防波堤還起到了防止港池淤積和波浪沖蝕海岸線的作用，也是人工掩護沿海港口或海上島嶼的重要組成部分.所及浮式防波堤的運輸方式為海上拖航，對其阻力的研究有著十分重要的工程意義［1－6］.

海上結構物在拖輪牽引下航行時，拖航阻力的大小直接影響著拖輪和設計航速的選擇.防波堤在拖航時，受到的阻力為水阻力和空氣阻力，但由于防波堤在空氣中的面積小，其空氣阻力占總阻力的比例較小.而水阻力主要包括靜水阻力和洶濤阻力等［7］，是拖航過程中拖帶阻力的重要部分.

1 防波堤模型介紹

文中所研究的單個防波堤模型如圖1所示，整個模型由4個部分組成，包括2個空心水泥筒、14根水泥連接柱和防浪網.總長度為20 m，寬為10 m.2個空心水泥筒的外直徑為4 m，壁厚為0.15 m，內部設直徑50 mm的鋼筋24根.水泥連接柱直徑為0.5 m，長度為2 m，內部設有直徑32 mm的鋼筋21根.防浪網的外框是由鋼架構成，高度為7.5 m，防浪球(重力等于浮力)布滿1/3防浪網的空間.防浪網下為沉子，為每個5 kg的石塊.防波堤的總重量約為260t(包含防浪網和沉子)，拖航中其吃水約為2m，按照如圖1所示通過圓心建立坐標系，重心高度Z約為0.29 m.防波堤的總布置圖如圖2所示，將10個防波堤單元串連綁扎成一排置于碼頭外一定距離，用來抵御波浪對碼頭棧橋的沖擊，從而達到防浪的效果.

圖1 單個防波堤Fig.1 Views of floating breakwater

圖2 防波堤總布置Fig.2 General arrangement plans of floating breakwater

文中所涉及的防波堤采用海上直接拖航的方式運送至目的地.防波堤的防浪網實際是置于水下的(圖1)，但在拖航過程中，為了減少拖航阻力，需將防波堤翻轉180°，使得防浪網不浸于水中，另外，由于防波堤結構及型線，在拖航過程中防波堤剩余阻力占總阻力比重較大，為了減少阻力，在其艏部安裝了錐形頭，優化了防波堤的型線.

2 錐頭參數

初步采用的錐頭參數如圖3所示，根據20∶1的縮尺比，模型中加裝錐頭的錐尖到錐底面的高度為200 mm，另外，錐底面的半徑跟防波堤模型筒半徑相等，同為100 mm.

圖3 錐頭示意圖Fig.3 Schematic diagram of conical head

3 數值模擬

3.1 控制方程和湍流模型

船體以一定的航速在均勻流體中作直線運動，可視船體模型靜止，來流沿速度方向流進計算域.模擬防波堤的一個單元模型在靜水中被拖船以定常速度作勻速直線運動時周圍的粘性流場.根據相對運動原理，可視防波堤模型為靜止不動，而水以相同的速度從遠處相對于防波堤模型勻速運動.

假定流體是不可壓縮的，則流場的連續方程如下所示［8］:

動量方程(N-S方程)為:

式中:t為時間;ui，uj為速度分量時均值(i，j=1，2，3);P為壓力時均值;ρ為流體密度;μ為流體的動力粘性系數;xi和xj分別為i和j方向上的位置坐標為雷諾應力;gi為單位質量的重力.

通過對各種湍流模型的比較，選用了SSTkω湍流模型，又叫剪切應力輸運k-ω模型.SSTkω湍流模型為低雷諾數模型，利用湍流動能k和湍流頻率ω的輸運方程先求出k和ω，再求湍流粘度:

通過式中的系數α將近壁區低雷諾數Re的影響考慮進去.

3.2 計算模型

基于FINE/Marine軟件建立數值水池及計算模型，對防波堤阻力性能進行研究.以防波堤為原型，按20∶1縮尺比建立計算模型(圖4，5).為避免遠方邊界條件對近模型流場的干擾，整個計算域設為X×Y×Z=4.5m×3.0m×1.2m，包含海水和空氣2部分，水深為0.6 m，其中防波堤距進水端為1.5 m.為保持實體和模型的傅汝德數Fr相等，計算域的進水速度，式中:ε為縮尺比;Ls為防波堤長度;Lm為防波堤模型長度，因設計航速vs取為6 kn，故而得出水流vm以0.690 m/s的速度流進計算域.同時，利用HEXPRESS全六面體非結構網格生成器進行網格劃分，在網格制作過程中，為確保網格質量及網格的合理分布，在自由液面處以及模型與水面之間設置網格加密區，實現對自由液面的精確捕捉.兩個計算域的網格數目大約為240萬和270萬，網格具有良好的品質，為高精度數值計算提供了保證.

圖4 原模型Fig.4 Mother mode

圖5 加裝帶錐頭的模型Fig.5 Figure of optimized model

計算域的邊界條件包含進口邊界、出口邊界以及壁面等.來流方向的進口邊界處給定來流速度和壓力，并假定出口邊界遠離防波堤且流體達到穩定狀態;計算域的上下邊界設為prescribed pressure邊界，其初始壓力值將根據流體的重力計算，整個計算過程中，流體可以自由進出該表面.考慮流體粘性的影響，將防波堤表面定義為不可滑移壁面.

3.3 數值計算結果及分析

圖7為防波堤阻力圖，其中縱坐標為總阻力FX，橫坐標為時間t.本次計算采用時間步進法獲得穩態流動，時間步長取為0.02 s，疊代至10 s時，防波堤阻力值已經基本趨于穩定，此時認為已經達到穩態解.由圖6可以看出，不帶錐頭防波堤的總阻力FX大約穩定于9.05 N，而帶錐頭防波堤的總阻力則于3.69 N趨于穩定.由此可推斷，此次數值模擬計算初步驗證了單個防波堤艏部加裝加錐頭，大大減少其拖航總阻力.

圖6 設計航速下防波堤的阻力Fig.6 Resistance of mother breakwater and optimizedbreakwater at design speed

4 試驗對比

基于上文的數值模擬，初步驗證了加裝錐頭的減阻效果，文中還將通過試驗進一步來驗證兩種結構形式的防波堤阻力變化情況.

4.1 試驗情況

試驗在江蘇科技大學船舶與海洋工程學院的船模拖曳水池完成.該拖曳水池長100 m，寬6 m，水深2m.大型拖車，最高車速為6m/s.試驗模型縮尺比為20∶1，模型的寬度為0.5 m，長度為1 m，模型阻力由阻力儀測得9］.

該試驗主要分成2個部分，第1部分試驗模型為不帶錐頭的防波堤;第2部分試驗模型為帶錐頭的防波堤.模型速度按照，對應于實際拖航速度4～10 kn，模型速度分別為0.460，0.518，0.575，0.633，0.690，0.748，0.805，0.863，0.920，1.150m/s.

4.2 試驗結果

記錄試驗數據，繪制靜水阻力R曲線(圖7).通過兩條曲線對比發現，加裝錐頭防波堤與不帶錐頭防波堤比較，靜水總阻力有明顯減小，并且隨著模型速度vm2的逐漸增加，效果愈明顯.試驗過程中發現，隨著不帶錐頭的防波堤模型牽引速度的增大，防波堤發生了縱傾，并且在較高航速時，首傾超過了5°，這是造成不帶錐頭防波堤阻力較大的主要原因.當防波堤模型速度達到最大也就是1.150m/s時，由于試驗中防波堤模型在拖航中發生首沉，圖中顯示的阻力曲線發生突變.圖中的兩組數據，選取模型的有效速度區間，可以得到帶錐頭防波堤的靜水阻力比不帶錐頭防波堤的靜水阻力要減少58%～60%.

圖7 靜水阻力試驗結果對比Fig.7 Resistance of optimized breakwater and mother breakwater

最終可以得到2種防波提在設計航速時的軟件模擬和試驗數據對比，如表1所示.

表1 單個防波提在設計航速時的計算值和試驗值Table 1 Resistance of optimized breakwater and mother breakwater at design speed

由于試驗過程中有操作和儀器精度等方面的原因，所以試驗結果與實際存在著一定的誤差.通過上表可知，軟件數據和試驗數據誤差范圍在5% ～7%之內，兩者吻合度比較理想.

綜所上述，通過軟件Fine/Marine數值模擬計算和靜水阻力試驗兩個方面的驗證對比，得出結論:防波堤艏部加錐頭的減阻效果比較明顯.

5 防波堤拖航實際工程中的阻力

在實際拖航工程中，考慮工程到經濟性和有效性，并不只是僅僅拖帶單個防波堤.文中提出一種拖航方案(圖8)，將3個防波堤串聯綁扎形成一組，兩組防波堤并排擺放，防波堤之間進行有效的綁扎，這樣形成了2×3=6個防波堤組合進行拖航.

圖8 防波堤拖航方案示意Fig.8 Program of towing floating breakwater

5.1 理論計算

根據文獻［10］中第9.2節提到的駁船隊阻力計算方法，對防波堤組合拖航進行阻力估算.其中估算內河一列式拖駁船隊的編隊阻力公式［10］為:

式中:R為駁船隊的總阻力，N;R1為單駁的阻力，N;n為駁船的艘數;K為編隊系數.

式中:CB為方形系數;L為模型長度;B為模型寬度;d為吃水，h為水深.根據式(5)以及防波堤模型的尺寸，得到一列式防波堤模型的編隊系數K=2.10.由此可以根據上述試驗測得單個防波堤的靜水阻力得到兩列防波堤的總阻力.

5.2 試驗結果

試驗過程如上文所述，試驗模型如圖9所示，其靜水拖曳試驗數據以及理論計算結果如表2所示.

圖9 試驗示意Fig.9 Figure of test model

表2 防波堤編組靜水阻力試驗數據和理論結果Table 2 Theoretical result and experiment result of breakwater group

由表2數據進行對比計算，當航速從4～7 kn時，理論的結果與試驗結果的誤差最大為8%，隨后兩者誤差隨著航速逐漸增加而變大.由此可以推斷，計算防波堤在較低航速時的靜水總阻力，可以用駁船隊阻力計算方法對防波堤拖航總阻力進行初步理論計算估，該方法具有一定的參考價值.

6 結論

1)通過研究浮式防波堤在拖航運輸過程中阻力性能，發現鈍頭防波堤在拖航中的阻力較大，故加裝錐型頭，并對前后阻力進行了數值計算和試驗分析.

2)通過數值模擬，初步驗證了加錐頭優化設計方法的可行性，又再次通過試驗驗證，充分得出錐頭減阻效果的有效性.

3)試驗結果表明，帶錐頭防波堤在設計航速6 kn左右總阻力可減少58.6%.參考單個防波堤的拖航情況，通過試驗模擬了實際拖航，并將其試驗結果與理論計算結果進行了比較分析.

4)防波堤艏部優化設計結果大大減小拖航運輸中的阻力，為解決海上結構物拖航阻力問題提供參考，具有一定的實用價值.

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