一种新型浮式防波堤的数值模拟研究
文立+刘祚秋
摘要：针对一种适合于救助打捞、工程临时防护等应急防浪情况的新型应急浮式防波堤，本文应用Ansys Workbench软件和AQWA Graphical Supervisor （AGS）图像后处理软件，建立三维数值模型，模拟了新型应急浮式防波堤在规则波作用下的运动过程，探讨了波陡H/L及相对吃水深度D/d对新型应急浮式防波堤透射系数的影响，此外还对防波堤的稳定性进行了分析。研究结果表明，波陡是影响新型应急浮式防波堤透射系数的重要因素，波陡越大，透射系数也越大，而相对吃水深度对透射系数有影响，但影响较小。
关键词：浮式防波堤；数值模拟；频域分析；透射系数；幅值响应算子
中图分类号：U653.4 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0050-02
随着我国港口建设向离岸及深水发展，港口建设期常遭受风浪袭击，需要一种拆装方便、布设速度快的应急防浪结构来减弱波浪，以保障海上救助作业、港口施工期各类作业以及其他海洋活动的正常进行。McCartney和Bruce，Werner，Shunichi，Mizutani和Rahman等对浮式防波堤的结构设计做了详细的研究，研究截面形状、结构宽度、吃水深度、锚泊方式等参数对浮式防波堤消波性能的影响。王铁涛、刘祚秋以双浮箱-多水平板浮式防波堤为研究对象，通过Ansys Workbench软件建立数学模型，进行水动力分析。李绍武，邹鹏旭，陈汉宝对一种新型应急浮式防波堤进行了研究。运用FLOW3D软件模拟了新型应急浮式防波堤在规则波作用下的运动过程。
本文针对这种新型应急浮式防波堤（图1），应用Ansys Workbench软件和AQWA Graphical Supervisor （AGS）图像后处理软件，建立三维数值模型，模拟了新型应急浮式防波堤在规则波作用下的运动过程，探讨了波陡H/L及相对吃水深度D/d对新型应急浮式防波堤透射系数的影响，此外还对防波堤的稳定性进行了分析。
1 防波堤模型及基本参数
防波堤单根消浪管直径为75 mm，吃水深度为总高度的0.6倍。浮体质量为2.18 kg，对重心轴的惯性矩为0.00 55 kg·m2。
2 计算结果分析
影响浮式防波堤入反射、透射特性的主要因素包括吃水深度D、水深d、波高H、波长L等，据数学模型计算结果，重点分析波陡H/L及相对吃水深度D/d对透射特性的影响，并提取防波堤模型的幅值响应算子，分析该防波堤的稳定性。
2.1 模型验证
首先对本章中所用的防波堤模型进行验证。如图2所示，对比数学模型与李绍武的水槽试验的堤后波高变化趋势，可发现二者在数值上接近，总体趋势相同。说明本文所采用的数值模型和方法正确。
2.2波陡对防波堤的消波性能的影响
2.3相对入水深度对防波堤的消波性能的影响
2.4稳定性分析
主要研究防波堤的幅值响应算子（Response amplitude operator，简称RAO）。该浮式防波堤的波浪作用下的运动主要为垂荡。
图5给出了不同吃水深度的防波堤在波浪垂直入射条件下的垂荡幅值响应算子，结果显示，防波堤的垂荡峰值频率为6.73 rad/s，固有周期为0.93 s，当固有周期与波浪频率接近时，会产生共振，设计时应避开常见波浪周期。
3 结论
研究结果表明：
⑴随着波陡的增大，该防波堤透射系数逐渐减小。另外，还可以看出对于同一水深条件下的3个波高情况，波高较大时的透射系数大于波高较小的情况，这主要是因为随着波高增大，越浪加剧。
⑵该防波堤透射系数随着相对吃水深度的增大大体呈递减趋势，但下降趋势并不明显。这是因为吃水深度越大，浮体有效挡水面积越大，从而透射系数越小，但影响效果相对有限。
⑶防波堤的固有周期为0.93 s，当固有周期与遭遇波浪频率接近时，会产生共振，导致防波堤剧烈运动，设计时应避开常见波浪周期。
参考文獻：
[1] McCartney M， Bruce L. Floating breakwater design[J]. J Waterway Port Coastal Ocean Eng 1985，111（2）：304–318.
[2] Werner G. EXPERIENCES WITH FLOATING BREAKWATERS： A LITERATURE REVIEW[J]. Marinas， 1988（63）；23–30.
[3] Shunichi Ikesue， Yasuhiro Sugi. Study on the performance of a floating breakwater with two boxes [C]. Proceeding of the twelfth International Offshore and Polar Engineering Conference， Kitakyushu， Japan， 2002：773-778
[4] Mizutani N， Rahman M A. Performance of Submerged Floating Breakwater Supported by Perforated Plates under Wave Action and Its Dynamics[C]// International Conference on Civil Engineering in the Oceans. 2005：329-341.
[5] 王铁涛，刘祚秋.双浮箱-双水平板浮式防波堤的数值模拟[J]. 水运工程，2016（3）：46-50.
[6] 李绍武，邹鹏旭，陈汉宝.一种新型浮式防波堤消浪效果及锚链力数值研究[J]. 水道港口，2016，37（6）：573-577.
摘要：针对一种适合于救助打捞、工程临时防护等应急防浪情况的新型应急浮式防波堤，本文应用Ansys Workbench软件和AQWA Graphical Supervisor （AGS）图像后处理软件，建立三维数值模型，模拟了新型应急浮式防波堤在规则波作用下的运动过程，探讨了波陡H/L及相对吃水深度D/d对新型应急浮式防波堤透射系数的影响，此外还对防波堤的稳定性进行了分析。研究结果表明，波陡是影响新型应急浮式防波堤透射系数的重要因素，波陡越大，透射系数也越大，而相对吃水深度对透射系数有影响，但影响较小。
关键词：浮式防波堤；数值模拟；频域分析；透射系数；幅值响应算子
中图分类号：U653.4 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0050-02
随着我国港口建设向离岸及深水发展，港口建设期常遭受风浪袭击，需要一种拆装方便、布设速度快的应急防浪结构来减弱波浪，以保障海上救助作业、港口施工期各类作业以及其他海洋活动的正常进行。McCartney和Bruce，Werner，Shunichi，Mizutani和Rahman等对浮式防波堤的结构设计做了详细的研究，研究截面形状、结构宽度、吃水深度、锚泊方式等参数对浮式防波堤消波性能的影响。王铁涛、刘祚秋以双浮箱-多水平板浮式防波堤为研究对象，通过Ansys Workbench软件建立数学模型，进行水动力分析。李绍武，邹鹏旭，陈汉宝对一种新型应急浮式防波堤进行了研究。运用FLOW3D软件模拟了新型应急浮式防波堤在规则波作用下的运动过程。
本文针对这种新型应急浮式防波堤（图1），应用Ansys Workbench软件和AQWA Graphical Supervisor （AGS）图像后处理软件，建立三维数值模型，模拟了新型应急浮式防波堤在规则波作用下的运动过程，探讨了波陡H/L及相对吃水深度D/d对新型应急浮式防波堤透射系数的影响，此外还对防波堤的稳定性进行了分析。
1 防波堤模型及基本参数
防波堤单根消浪管直径为75 mm，吃水深度为总高度的0.6倍。浮体质量为2.18 kg，对重心轴的惯性矩为0.00 55 kg·m2。
2 计算结果分析
影响浮式防波堤入反射、透射特性的主要因素包括吃水深度D、水深d、波高H、波长L等，据数学模型计算结果，重点分析波陡H/L及相对吃水深度D/d对透射特性的影响，并提取防波堤模型的幅值响应算子，分析该防波堤的稳定性。
2.1 模型验证
首先对本章中所用的防波堤模型进行验证。如图2所示，对比数学模型与李绍武的水槽试验的堤后波高变化趋势，可发现二者在数值上接近，总体趋势相同。说明本文所采用的数值模型和方法正确。
2.2波陡对防波堤的消波性能的影响
2.3相对入水深度对防波堤的消波性能的影响
2.4稳定性分析
主要研究防波堤的幅值响应算子（Response amplitude operator，简称RAO）。该浮式防波堤的波浪作用下的运动主要为垂荡。
图5给出了不同吃水深度的防波堤在波浪垂直入射条件下的垂荡幅值响应算子，结果显示，防波堤的垂荡峰值频率为6.73 rad/s，固有周期为0.93 s，当固有周期与波浪频率接近时，会产生共振，设计时应避开常见波浪周期。
3 结论
研究结果表明：
⑴随着波陡的增大，该防波堤透射系数逐渐减小。另外，还可以看出对于同一水深条件下的3个波高情况，波高较大时的透射系数大于波高较小的情况，这主要是因为随着波高增大，越浪加剧。
⑵该防波堤透射系数随着相对吃水深度的增大大体呈递减趋势，但下降趋势并不明显。这是因为吃水深度越大，浮体有效挡水面积越大，从而透射系数越小，但影响效果相对有限。
⑶防波堤的固有周期为0.93 s，当固有周期与遭遇波浪频率接近时，会产生共振，导致防波堤剧烈运动，设计时应避开常见波浪周期。
参考文獻：
[1] McCartney M， Bruce L. Floating breakwater design[J]. J Waterway Port Coastal Ocean Eng 1985，111（2）：304–318.
[2] Werner G. EXPERIENCES WITH FLOATING BREAKWATERS： A LITERATURE REVIEW[J]. Marinas， 1988（63）；23–30.
[3] Shunichi Ikesue， Yasuhiro Sugi. Study on the performance of a floating breakwater with two boxes [C]. Proceeding of the twelfth International Offshore and Polar Engineering Conference， Kitakyushu， Japan， 2002：773-778
[4] Mizutani N， Rahman M A. Performance of Submerged Floating Breakwater Supported by Perforated Plates under Wave Action and Its Dynamics[C]// International Conference on Civil Engineering in the Oceans. 2005：329-341.
[5] 王铁涛，刘祚秋.双浮箱-双水平板浮式防波堤的数值模拟[J]. 水运工程，2016（3）：46-50.
[6] 李绍武，邹鹏旭，陈汉宝.一种新型浮式防波堤消浪效果及锚链力数值研究[J]. 水道港口，2016，37（6）：573-577.
