双排浮式防波堤透射系数分析
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作者:王世林 李元新
摘 要：为研究双排浮式防波堤的水动力特性，本文通过数值模拟的研究方法，在AQWA软件中建立了双排浮式防波堤的数值模型，对正向入射波与一个双排浮式防波堤单元的相互作用进行了研究。在模型验证的基础上，分析了不同周期波浪作用下，锚链刚度、后箱吃水等因素对浮堤的透射系数的影响。结果表明：相同波浪下双排浮式防波堤的消浪效果要优于单排浮式防波堤。研究双排浮式防波堤的消浪性能，可以为实际工程提供一定参考价值。
关键词：双排浮式防波堤;透射系数;消浪性能
中图分类号：U656.2+4 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）01-0070-03
浮式防波堤作为一种新颖的特种防波堤，有着传统坐底式防波堤的功能，如抵御波浪、海冰入侵港池，可以保证船舶在港池内安全停靠、系泊、正常装卸作业与旅客上下;同时由于它下面透空，只使用锚固系统与海底相连，所以有着不影响水体的交换，避免泥沙的淤积的优点[1]。已有研究表明波浪的能量主要集中在水面以下三个波高大小的深度内，因此浮式防波堤适应波浪能量的分布，避免了传统坐底式防波堤对工程资源的浪费。诸多学者的研究重点集中在浮式防波堤的结构形式的改进以获得更好的消浪效果上， 如国内的徐树鹏[2]、王志磊[3]等。国外的学者Alizadeh[4] 、Pangalila[5]等通过试验研究了多种因素对单个浮式防波堤透射系数的影响。综合国内外的诸多研究发现，学者们采用模型试验或者数值模拟的研究方法对单个浮堤的消浪效果及锚泊系统进行了研究，而对双排甚至多排浮堤的研究较少，当两个浮堤存在时，浮堤之间的波浪场会更加复杂，浮堤与波浪、浮堤与浮堤之间存在着更加复杂的耦合效应，浮堤的运动响应或锚链受力会与单个浮堤时不同。因此，研究双排或是多排浮式防波堤的水动力特性，对浮式防波堤的结构设计、施工建造、强度分析等方面有着重要的参考价值。
本文结合数值模拟软件AQWA，在频域内研究了双排浮式防波堤的消浪性能，得到了后箱吃水深度、锚链刚度及浮箱间距改变时双排浮式防波堤透射系数的变化规律。
1 数值模型的建立及验证
1.1模型的建立
本文所研究的双排浮式防波堤的两个浮堤外型均采用方箱形结构，尺寸均为13.2m×9m×5.4m，锚固系统方面考虑到锚链受力的均匀性，采用对称八字形锚泊方式，计算水深设为16m，浪向为x轴正向，吃水3.6m。由于沿x方向上箱体的长度已经不能忽略，因此浮箱间距指前箱背浪面与后箱迎浪面的间距，为20m。在AQWA中建立的模型如图1所示，包括浮堤、水池边壁及锚固统。
由于AQWA使用边界元方法，因此在划分网格的时候要对模型的表面进行划分，对两个浮箱的网格进行加密，同时由于水池的边壁不参与浮箱水动力的计算，对其采用较稀疏的网格。其中重心位置（0，0，-1.8），具体计算工况、模型参数及锚链参数如表1、2、3所示。本文数值模拟所设置的海况以及锚链刚度如表2、3所示。
1.2模型验证
本文中以Heave表示浮体的垂荡， Surge表示浮体的纵荡。取Goo.J等[6]人的圆筒、方箱相互作用的解析结果进行运动响应的验证，其中RAO（response amplitude operators）为幅值响应算子，用来描述运动特性和锚链张力，验证结果如图2。
验证结果拟好较好，所建立的数值模型具有可信性。
2 结果与讨论
在计算透射系数时，使用AQWAGS打开频域计算结果，得到波高云图，提取波幅沿x轴线变化曲线，得到堤后的透射波幅，便可计算得到透射系数。由于透过前排浮堤的波浪可由后排浮堤的迎浪面进行二次反射，反射的浪传播到前排浮堤的背浪面可以辅助前排浮堤抵抗新传来的波浪，因此会有更好的消浪效果。本文以锚链刚度EA=1.73E7N、吃水3.6m、间距20m、波高1m的工况对单、双排浮式防波堤的透射系数进行对比，其中单排浮式防波堤使用与双排浮式防波堤同样的一个浮箱。由计算结果可知，在相同条件下双排浮式防波堤透射系数要小于单浮箱时的透射系数，双排浮式防波堤消浪性能更好。
2.1后箱吃水對透射系数的影响
本文选择四个后箱吃水深度进行研究，后箱吃水3.6m时表示与前箱的吃水深度相同，吃水4.2m时表示露出水面1.2m，吃水5.4m则表示后箱顶面与水面齐平，吃水6.6m表示后箱在水面以下。
根据计算结果，随着相对间距增大，浮堤的透射系数减小，说明在处理较短周期波浪时，浮式防波堤的消浪能力较好。在后箱完全进入水面以下前，吃水增加，透射系数整体是减小，而在后箱吃水为6.6m时，透射系数较另三种吃水深度都要大。这是因为对于几种不同的吃水深度双排浮式防波堤下部对水的透空能力也不同，后箱吃水较深时，对波浪的阻挡作用也就越强，因此透射系数随后箱吃水增加而减小;但是吃水6.6m时，后箱在水面以下，使得波面抬高，发生越浪的情况，因此透射系数变大了。
2.2锚链刚度对透射系数的影响
波浪作用在浮式防波堤上时，浮堤会随着波浪的起伏做一定有规律的摆动，通常认为浮堤的运动为小振幅的简谐运动。由于浮堤的运动，波浪会从浮堤底部透过，当锚链的刚度不同时，对浮堤的约束能力也不相同，因此消浪能力也不一样。由计算结果可以看出，当锚链的刚度由1.23E7N增加到1.73E7N、相对间距在0.46-1.01范围内时透射系数减小了0.2左右，透射系数整体有着明显的减小。当锚链刚度由1.73E7N增加到8.5E8N时，透射系数减小稍有减小，在相对间距为1.01时几乎重合。综合以上分析，可以得到锚链刚度在一定范围内越大，浮堤的消浪能力越好。 2.3前后箱間距对透射系数的影响
研究不同间距对透射系数的影响时，已有学者对两浮堤间距为0.5w、1w及1.5w（w为浮堤宽度）时进行了研究，发现分别取三个周期T1=7.47s、T2=8.27s及T3=8.9s对应波长的1/4、1/2、1/3、1倍作为两浮箱之间的间距。此时两浮堤的间距依旧按照前面的定义，为前堤背浪面与后堤迎浪面之间的净间距。由计算结果可以看出，三个周期中，在周期较短T=7.47s并且间距半个波长时消浪效果最为明显;同周期下两浮箱间距半个波长或者一个波长时有着相对较低的透射系数，前后浮堤间距增大，透射系数先减小后增加再减小。这是因为，在两箱相距1/4L或者3/4L时，总是有一个波峰或者波谷作用在其中一个浮箱上，波浪较容易透过浮堤，透射系数较大。同理，在两浮箱相距1/2L、L时，波峰或波谷在两箱之间，浮堤阻挡作用较强而透射作用则相对较弱，所以透射系数较小。
3 结论
本文利用数值软件AQWA对不同条件下的双浮堤的消浪特性进行了数值模拟，探讨了锚链刚度、后箱吃水深度及前后箱间距对双浮堤的透射系数的影响，分析了双浮堤的透射系数的变化规律，本文结果可为浮式防波堤的工程设计提供一定参考。
参考文献：
[1]王环宇. 多孔浮式防波堤的实验研究与数值模拟[D].大连理工大学，2010.
[2]徐树鹏. 板—箱组合浮式防波堤构型设计与实验研究[D]. 2017.
[3]王志磊. 多道浮式防波堤的水动力性能分析[D].江苏科技大学，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.
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