雙排浮式防波堤透射系數分析

王世林 李元新

摘 要：為研究雙排浮式防波堤的水動力特性，本文通過數值模擬的研究方法，在AQWA軟件中建立了雙排浮式防波堤的數值模型，對正向入射波與一個雙排浮式防波堤單元的相互作用進行了研究。在模型驗證的基礎上，分析了不同周期波浪作用下，錨鏈剛度、后箱吃水等因素對浮堤的透射系數的影響。結果表明：相同波浪下雙排浮式防波堤的消浪效果要優于單排浮式防波堤。研究雙排浮式防波堤的消浪性能，可以為實際工程提供一定參考價值。

關鍵詞：雙排浮式防波堤;透射系數;消浪性能

中圖分類號：U656.2+4? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0070-03

浮式防波堤作為一種新穎的特種防波堤，有著傳統坐底式防波堤的功能，如抵御波浪、海冰入侵港池，可以保證船舶在港池內安全停靠、系泊、正常裝卸作業與旅客上下;同時由于它下面透空，只使用錨固系統與海底相連，所以有著不影響水體的交換，避免泥沙的淤積的優點[1]。已有研究表明波浪的能量主要集中在水面以下三個波高大小的深度內，因此浮式防波堤適應波浪能量的分布，避免了傳統坐底式防波堤對工程資源的浪費。諸多學者的研究重點集中在浮式防波堤的結構形式的改進以獲得更好的消浪效果上， 如國內的徐樹鵬[2]、王志磊[3]等。國外的學者Alizadeh[4] 、Pangalila[5]等通過試驗研究了多種因素對單個浮式防波堤透射系數的影響。綜合國內外的諸多研究發現，學者們采用模型試驗或者數值模擬的研究方法對單個浮堤的消浪效果及錨泊系統進行了研究，而對雙排甚至多排浮堤的研究較少，當兩個浮堤存在時，浮堤之間的波浪場會更加復雜，浮堤與波浪、浮堤與浮堤之間存在著更加復雜的耦合效應，浮堤的運動響應或錨鏈受力會與單個浮堤時不同。因此，研究雙排或是多排浮式防波堤的水動力特性，對浮式防波堤的結構設計、施工建造、強度分析等方面有著重要的參考價值。

本文結合數值模擬軟件AQWA，在頻域內研究了雙排浮式防波堤的消浪性能，得到了后箱吃水深度、錨鏈剛度及浮箱間距改變時雙排浮式防波堤透射系數的變化規律。

1 數值模型的建立及驗證

1.1模型的建立

本文所研究的雙排浮式防波堤的兩個浮堤外型均采用方箱形結構，尺寸均為13.2m×9m×5.4m，錨固系統方面考慮到錨鏈受力的均勻性，采用對稱八字形錨泊方式，計算水深設為16m，浪向為x軸正向，吃水3.6m。由于沿x方向上箱體的長度已經不能忽略，因此浮箱間距指前箱背浪面與后箱迎浪面的間距，為20m。在AQWA中建立的模型如圖1所示，包括浮堤、水池邊壁及錨固統。

由于AQWA使用邊界元方法，因此在劃分網格的時候要對模型的表面進行劃分，對兩個浮箱的網格進行加密，同時由于水池的邊壁不參與浮箱水動力的計算，對其采用較稀疏的網格。其中重心位置（0，0，-1.8），具體計算工況、模型參數及錨鏈參數如表1、2、3所示。本文數值模擬所設置的海況以及錨鏈剛度如表2、3所示。

1.2模型驗證

本文中以Heave表示浮體的垂蕩， Surge表示浮體的縱蕩。取Goo.J等[6]人的圓筒、方箱相互作用的解析結果進行運動響應的驗證，其中RAO（response amplitude operators）為幅值響應算子，用來描述運動特性和錨鏈張力，驗證結果如圖2。

驗證結果擬好較好，所建立的數值模型具有可信性。

2 結果與討論

在計算透射系數時，使用AQWAGS打開頻域計算結果，得到波高云圖，提取波幅沿x軸線變化曲線，得到堤后的透射波幅，便可計算得到透射系數。由于透過前排浮堤的波浪可由后排浮堤的迎浪面進行二次反射，反射的浪傳播到前排浮堤的背浪面可以輔助前排浮堤抵抗新傳來的波浪，因此會有更好的消浪效果。本文以錨鏈剛度EA=1.73E7N、吃水3.6m、間距20m、波高1m的工況對單、雙排浮式防波堤的透射系數進行對比，其中單排浮式防波堤使用與雙排浮式防波堤同樣的一個浮箱。由計算結果可知，在相同條件下雙排浮式防波堤透射系數要小于單浮箱時的透射系數，雙排浮式防波堤消浪性能更好。

2.1后箱吃水對透射系數的影響

本文選擇四個后箱吃水深度進行研究，后箱吃水3.6m時表示與前箱的吃水深度相同，吃水4.2m時表示露出水面1.2m，吃水5.4m則表示后箱頂面與水面齊平，吃水6.6m表示后箱在水面以下。

根據計算結果，隨著相對間距增大，浮堤的透射系數減小，說明在處理較短周期波浪時，浮式防波堤的消浪能力較好。在后箱完全進入水面以下前，吃水增加，透射系數整體是減小，而在后箱吃水為6.6m時，透射系數較另三種吃水深度都要大。這是因為對于幾種不同的吃水深度雙排浮式防波堤下部對水的透空能力也不同，后箱吃水較深時，對波浪的阻擋作用也就越強，因此透射系數隨后箱吃水增加而減小;但是吃水6.6m時，后箱在水面以下，使得波面抬高，發生越浪的情況，因此透射系數變大了。

2.2錨鏈剛度對透射系數的影響

波浪作用在浮式防波堤上時，浮堤會隨著波浪的起伏做一定有規律的擺動，通常認為浮堤的運動為小振幅的簡諧運動。由于浮堤的運動，波浪會從浮堤底部透過，當錨鏈的剛度不同時，對浮堤的約束能力也不相同，因此消浪能力也不一樣。由計算結果可以看出，當錨鏈的剛度由1.23E7N增加到1.73E7N、相對間距在0.46-1.01范圍內時透射系數減小了0.2左右，透射系數整體有著明顯的減小。當錨鏈剛度由1.73E7N增加到8.5E8N時，透射系數減小稍有減小，在相對間距為1.01時幾乎重合。綜合以上分析，可以得到錨鏈剛度在一定范圍內越大，浮堤的消浪能力越好。

2.3前后箱間距對透射系數的影響

研究不同間距對透射系數的影響時，已有學者對兩浮堤間距為0.5w、1w及1.5w（w為浮堤寬度）時進行了研究，發現分別取三個周期T1=7.47s、T2=8.27s及T3=8.9s對應波長的1/4、1/2、1/3、1倍作為兩浮箱之間的間距。此時兩浮堤的間距依舊按照前面的定義，為前堤背浪面與后堤迎浪面之間的凈間距。由計算結果可以看出，三個周期中，在周期較短T=7.47s并且間距半個波長時消浪效果最為明顯;同周期下兩浮箱間距半個波長或者一個波長時有著相對較低的透射系數，前后浮堤間距增大，透射系數先減小后增加再減小。這是因為，在兩箱相距1/4L或者3/4L時，總是有一個波峰或者波谷作用在其中一個浮箱上，波浪較容易透過浮堤，透射系數較大。同理，在兩浮箱相距1/2L、L時，波峰或波谷在兩箱之間，浮堤阻擋作用較強而透射作用則相對較弱，所以透射系數較小。

3 結論

本文利用數值軟件AQWA對不同條件下的雙浮堤的消浪特性進行了數值模擬，探討了錨鏈剛度、后箱吃水深度及前后箱間距對雙浮堤的透射系數的影響，分析了雙浮堤的透射系數的變化規律，本文結果可為浮式防波堤的工程設計提供一定參考。

參考文獻：

[1]王環宇. 多孔浮式防波堤的實驗研究與數值模擬[D].大連理工大學，2010.

[2]徐樹鵬. 板—箱組合浮式防波堤構型設計與實驗研究[D]. 2017.

[3]王志磊. 多道浮式防波堤的水動力性能分析[D].江蘇科技大學，2017.

[4]Alizadeh， M.J， Kolahdoozan. Experimental study of the performance of floating breakwaters with heave motion. Civil Engineering Infrastructures Journal，2014，47（ 1） ： 59～70

[5]Pangalila F V， Martin J P. A method of estimating line tension and motions of asemi-submersible based on empirical data and model basis results[C].OTC，1969; 2：90-96.