浮式方箱防波堤的AQWA数值模拟研究

浮式方箱防波堤的AQWA数值模拟研究
张伟;程勇;马哲;周凯
【摘要】AQWA numeric software was used to study the transmission effect of pontoon-type breakwater while being impacted by regular and irregular waves. It is shown in the test that the transmission coefficient of pontoon-type breakwater changes a little while water depth changes. In addition, the breakwater is of better wave dissipating effect. In comparison with traditional breakwater, a little more construction cost is added for the pontoon-type breakwater when water depth is increased. The study will provide the reference for the design and application of pontoon-type breakwater.%利用AQWA数模软件,针对规则波和不规则波作用时浮式方箱防波堤的透射效果进行研究,试验表明:浮式方箱防波堤的透射系数随水深变化不大,消波效果较好；与传统防波堤相比,浮式方箱防波堤在水深增大后工程造价的增量有限.本研究可为浮式方箱防波堤的设计和应用提供参考.
【期刊名称】《港工技术》
【年(卷),期】2011(048)003
【总页数】3页(P4-6)
【关键词】浮式防波堤；透射系数；数值模拟；透射波面
【作者】张伟;程勇;马哲;周凯
【作者单位】天津临港工业港务有限公司，天津300452;大连理工大学深海工程
研究中心，辽宁大连116024;大连理工大学深海工程研究中心，辽宁大连116024;天津临港工业港务有限公司，天津300452
【正文语种】中文
【中图分类】U656.24
随着经济全球化的进程，世界各国对能源的需求量越来越大，当陆上能源不能满足经济发展的需求时，海洋就逐渐成为能源开发的重点。

固定式防波堤在防御波浪侵袭、维护港内水域平稳、减少港内淤积、防止港内流冰涌入等方面发挥着重要的作用，但在向深海推进的过程中，随着堤高加大，深水固定式防波堤的堤身断面增加、基底荷载加大，会使得防波堤造价陡增。

于是，各种形式的浮式防波堤便应运而生，浮式防波堤不仅可以消减波浪，而且具有造价低、结构简单、对环境影响小、适宜软土地基和拆迁方便等优点，近年来已成为防波堤研究的新热点。

浮式方箱防波堤是典型的浮式防波堤结构型式之一，目前国、内外对矩形浮式防波堤的研究大多集中在规则波作用下的线性频域响应[1]，本研究运用AQWA软件对浮式方箱防波堤进行数值模拟，主要研究在不同水深条件下规则波和不规则波作用时浮式方箱防波堤时域响应的透射系数，并分析防波堤的造价，为今后浮式方箱防波堤的设计和选型提供参考。

1 浮式方箱防波堤试验的基本参数
1.1 防波堤及其锚泊系统参数
试验用的浮式方箱防波堤长13.2 m，宽9 m，高5.4 m，吃水4.05 m；质量511.1 t，重心位置 2.243 m。

其锚泊系统布置有4根传统悬链式钢制锚链，水下
单位长度的锚链重力为32.549 kN/m，锚链刚度为162 MPa。

本试验中海水质量
密度取1.025 t/m3，水深分别取 12、30、60、100 和 120 m，所对应的锚链长度分别为 13.75、39、80、135 和 164 m[2，3]。

浮式方箱防波堤布置示意，见图1。

图1 浮式方箱防波堤布置示意
1.2 波浪参数
本试验中采用的规则波波高为2 m、周期为4.43 s；不规则波采用P-M谱，起止频率为0.3～2.0 rad/s，有效波高4.0 m、跨零周期8.0 s。

2 基本理论
本研究主要运用 AQWA的 Line、Naut和 Drift模块来模拟浮式方箱防波堤的二维运动，约束防波堤的横荡、横摇和回转3个方向的自由度，使其只产生纵荡、垂荡和纵摇方向的运动，通过波浪的透射系数和防波堤的消波系数来反映浮式防波堤的消波效果，波浪透射系数Kt=Ht/Hi，防波堤消波系数Kx=1-Kt。

式中Ht为透射波波高；Hi为入射波波高；消波系数Kx的测点选在防波堤后方相距67.5 m 处。

用振幅响应算子RAO表示浮式方箱防波堤的重心运动，RAO=浮体运动幅值/入射波高[4-6]。

3 试验结果的分析
3.1 试验验证
首先在ANSYS中建立浮式方箱防波堤的模型，然后用Anstoaqwa命令导出AQWA-Line的输入文件，最后进行浮式防波堤消波效果的分析。

运用AQWA-Line和AQWA-Naut模块计算浮式防波堤在规则波下的时域响应，将计算所得浮式防波堤在不同周期下的重心垂荡响应与先前的物理模型试验结果相比较，可发现数模计算结果和物模试验结果基本吻合，说明运用AQWA软件对浮式方箱防波堤的运动进行数值模拟计算的方法是可行的。

浮式方箱防波堤重心垂荡响应的试验结果对比，见图2。

图2 浮式方箱防波堤重心垂荡响应的试验结果对比
3.2 规则波作用下的时域分析
通过求得各测点在不同水深条件下的透射波高可计算出浮式方箱防波堤的透射系数。

试验结果表明：在不同水深条件下，浮式方箱防波堤的透射波波面波动趋势基本相同；由于浮式方箱防波堤在规则波作用下产生垂荡运动，透射波波动的平衡位置呈周期性变化；各种水深条件下的波浪透射系数Kt≈0.35，数值基本相同，防波堤消波系数Kx≈0.65；浮式方箱防波堤的消波效果并未随水深的增加而有所降低。

不
同水深条件下某测点规则波的透射波面，见图3。

图3 不同水深条件下某测点规则波的透射波面
3.3 不规则波作用下的时域分析
运用AQWA-Line和AQWA-Drift模块联合求解浮式方箱防波堤在不规则波作用
下的透射系数。

根据统计原理，取各种水深条件下透射波面前1/3大波的平均波
高计为有效波高Ht，当水深分别为12、30、60、100 和 120 m 时，求得 Ht分别为0.88、0.84、0.92、1.06和1.14 m；不规则入射波Hi的有效波高为4.0 m，求得不同水深条件下波浪透射系数Kt分别为0.22、0.21、0.23、0.265 和0.285；求得不同水深条件下防波堤的消波系数 Kx分别为 0.78、0.79、0.77、0.735和0.715。

由此可知，随着水深的增加，浮式方箱防波堤的波浪透射系数逐渐增大，防波堤的消波系数逐渐减小；浮式方箱防波堤对随机波的消波效果总体较好，符合设计要求。

不同水深条件下某测点不规则波的透射波面，见图4。

3.4 固定式防波堤和浮式防波堤的造价对比
以某港区防波堤工程为例，不同结构类型防波堤的延米造价随水深变化的曲线，见图5。

图4 不同水深条件下某测点不规则波的透射波面
图5 不同结构类型防波堤的延米造价随水深变化的曲线
由图5可见，在浅水区固定式防波堤的造价比浮式防波堤要低很多，且消波效果比浮式防波堤好，因此，在浅水区多选择固定式防波堤；随着水深增加，固定式防波堤的造价陡增，而浮式防波堤的造价呈缓慢增加趋势，浮式防波堤的消波效果基本保持不变，因此，在深水区选择浮式防波堤较为适宜。

4 结论
1）在规则波作用下，由于浮式方箱防波堤的垂荡作用，透射波波面的平衡位置发生周期性变化；防波堤后方透射波波面的波动趋势相同，透射系数也基本相同，消波效果较好，能够满足使用要求。

2）在不规则波作用下，浮式方箱防波堤的消波效果随水深增加而逐渐减小，但总体变化不大，消波效果较好。

3）随着水深的增加，固定式防波堤的造价陡增，而浮式防波堤造价的增加相对缓慢，且浮式防波堤的消波效果基本不变，因此，综合考虑深水港区防护建筑物的消波性能和技术经济指标，选择浮式防波堤较为适宜。

参考文献
［1］童朝峰，严以新.浮式防波堤的消浪特征［J］.水运工程，2002 （8）： 32－35.
［2］侯勇.单方箱—锚链式防波堤水动力特性研究［D］.大连：大连理工大学，2008.
［3］王环宇，孙昭晨.一种新型浮式防波堤的试验研究［J］.港工技术， 2009，46（4）： 6－8.
［4］郑艳娜，董国海，李玉成.深水浮式防波堤结构形式的试验研究［J］.中国海洋平台，2005， 20（6）：1－5.
［5］Garrison C J.Hydrodynamic Loading of Large Offshore Structures：Three-Dimensional Source Distribution Methods［J］.Numerical Methods
in Offshore Engineering， 1978（2）：87－140.
［6］Bishop R E D， Burcher R K， Price W G.The Fifth Annual Fairley Lecture on the Linear Representation of Fluid Forces and Movements in Unsteady Flow［J］.Journal of Sound and Vibration， 1973， 29（1）：113－128.。