基于Orcaflex的浮式防波堤水动力分析

式中：ＥＡε是 由 于 轴 向 刚 度 产 生 的；－２ｖ（Ｐ０Ａ０ －
ＰｉＡｉ）是由于内部、外部压力产生的（通过泊松比的
影响）；ＥＡｅ是由于轴向阻尼产生的。式中 ＥＡ为缆
索轴向刚度；ε＝（Ｌ－λＬ０）／λＬ０ 是总的轴向平均应 变，λ是分段的伸长系数，Ｌ０ 是分段的原长；ｖ是泊
图 １ 有效张力示意图 Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍ ｏｆｅｆｆｅｃｔｉｖｅｔｅｎｓｉｏｎ
ＯｒｃａＦｌｅｘ中拓展后的 Ｍｏｒｉｓｏｎ公式为
Ｆ＝（△ａｗ ＋Ｃｍ△ａｒ）＋１２ρｖｒ｜ｖｒ｜ＣＤＡ
（２）
式中：Ｆ为波浪载荷；△ ＝ρｖ为排水量；ａｗ 为水质点绝对加速度；ａｒ为水质点相对于结构物的加速度；ｖｒ为水 质点相对于结构物的速度；ＣＤ 为拖曳力系数；Ａ为拖曳投影面积。
ＯｒｃａＦｌｅｘ中有效张力表达式如式（３）所示
第 ４０卷第 １期
２０１９年 ２月
水 道 港 口
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷａｔｅｒｗａｙａｎｄＨａｒｂｏｒ
Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１９
基于 Ｏｒｃａｆｌｅｘ的浮式防波堤水动力分析
黄 栋，包雄关，冯宏祥，费殷怡
（宁波大学 海运学院，宁波 ３１５２１１）
摘 要：采用凝集质量法对浮式防波堤系泊缆有效张力进行求解，利用大型水动力分析软件 Ｏｒｃａｆｌｅｘ建
关键词：浮式防波堤；凝集质量法；Ｏｒｃａｆｌｅｘ；有效张力
中图分类号：Ｕ６５ 文献标识码：Ａ
文章编号：１００５－８４４３（２０１９）０１－００８１－０６
防波堤作为码头重要组成部分，对减小波浪侵蚀、保护港内水域的平稳和其他水工建筑物，确保船只进 出、停泊与装卸作业安全方面具有重大作用，因此，分析浮式防波堤运动性能，保证其安全显得至关重要。
表 １ 浮式防波堤参数 Ｔａｂ．１Ｆｌｏａｔｉｎｇｂｒｅａｋｗａｔｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
参数 堤长 堤宽 堤高
松比；ｅ为阻尼系数；ｄＬ／ｄｔ是长度增加的速率。由于结构阻尼对缆索的影响较小，一般忽略不计。
２ 模型建立
根据实际情况需要，本文浮式防波堤由 １０个 ６０ｍ长的堤段及 ９ 组 ５ｍ长的连接段组成，总长度为 ６４５ｍ，宽度为 ２５ｍ，布置于被保护 工程的来流方向。本文中浮式防波堤所在水域为我国南海某水域，根 据 １９７９～２０１７年 ３９ａ水文资料统计，仅选取斜浪为 ６７．５°和 ９０°进行 分析。在本文模型中，空心浮筒通过软件 ６Ｄｂｕｏｙ模块中 ＴｏｗｅｄＦｉｓｈ 建立，改变 ＴｏｗｅｄＦｉｓｈ的密度达到与空心浮筒相同作用效果，锚绳和
毛伟清等［１］利用 Ｆｒａｎｋ源汇分布法和 Ｇｒｉｍ切片理论分析在波浪作用下浮式防波堤的消波性能并预报 了浮式防波堤在不规则波中的消波性能。周效国等［２］利用试验对透空式防波堤进行了全面的分析，并说明 其在港口建设中的应用情况。董国海等［３］提出新式板 －网浮式防波堤，并探索平板刚度、平板宽度、网衣数 目等变量对消波效果的影响。贺大川等［４］发明水下板式 －浮筒型防波堤，并分析其水动力特性，并说明该 结构形式浮式防波堤具有较好的消波性能。张宁川等［５］利用流体界面捕捉的方法，探究潜式双层水平板型 防波堤与海浪的相互影响。嵇春艳等［６］利用试验把不同类型浮式防波堤的消波性能和运动响应特性进行 对比，得出浮式防波堤的最优形式。Ｊ．Ｎ．Ｎｅｗｍａｎ［７］通过对两个相同浮式防波堤在刚性连接和铰连接情况下 运动响应特性分析，得出铰连接运动特性优于刚性连接情况。Ｓ．Ａ．Ｓａｎｎａｓｉｒａ等［８］利用试验分析浮筒式浮式 防波堤在不同锚泊形式下的运动响应特性和系泊缆张力情况。Ｅ．Ｌｕｃａ［９］利用试验分析锚链在不同布置形 式的情况下对浮式防波堤的影响。Ｅ．Ｌｏｕｋｏ等［１０］利用试验分析包含多个浮体的浮式防波堤的消波和结构 响应特性。Ｋｏｕｔａｎｄｏｓ等［１１］分别利用有限差分法和边界元法对浅水和中等水深时的固定和垂荡浮式防波堤 的消波性能以及受力情况进行计算。国内外文献主要针对防波堤防波性能进行研究，对其强度及运动特性 研究较少，本文则通过对浮式防波堤运动特性及系泊缆有效张力进行研究，并根据近几年学者的研究成果 进行比对，确保本模型的准确性，对浮式防波堤在实际工程中的应用具有较好参考价值。
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水 道 港 口
第 ４０卷第 １期
力 ＦＤ 以及张力 ＦＴ等载荷作用下偏移 Ｓ，此时结构的运动方程为
··
（ｍ＋ρｖＣｍ）Ｓ＝ＦＤ ＋ＦＩ＋ＦＢ ＋ＦＷ ＋ＦＴ＋ＦＰ
（１）
式中：ρ为水密度；ｖ为排水体积；Ｃｍ 为附加质量系数。
对于锚缆等这类挠性小尺度结构物可忽略结构对波浪的影响，常采用 Ｍｏｒｉｓｏｎ公式来统一计算拖曳力，
Ｔｅ＝Ｔｗ ＋Ｐ０Ａ０－ＰｉＡｉ
（３）
式中：Ｔｅ为有效张力；Ｐ０ 为外部压力；Ａ０ 为管线横截面积；Ｐｉ为内部压力；Ａｉ为内管横截面积。特别地，缆索
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Ｐｉ与 Ａｉ均为零。相邻两节点间壁张力与有效张力相对关系如图 １所示。
图中 Ｔｗ 表示壁面张力，表达式为
Ｔｗ ＝ＥＡε－２ｖ（Ｐ０Ａ０－ＰｉＡｉ）＋ＥＡｅ（ｄＬ／ｄＴ）／Ｌ０ （４）
１ 基本理论
该浮式防波堤有浮筒等刚性部件和锚缆等柔性部件。对于刚性部分，依据刚体运动学建立运动方程； 对于柔性部分，则采用凝集质量法建立其运动方程，浮式防波堤在重力 ＦＷ、浮力 ＦＢ、惯性力 ＦＩ、波流载荷曳
收稿日期：２０１８－０３－２３；修回日期：２０１８－０８－１２ 基金项目：浙江省科技厅公益研究项目（２０１６Ｃ３１１１１） 作者简介：黄栋（１９９３－），男，山东临沂人，硕士研究生，主要从事船舶与海洋工程结构物动态响应方面的研究。 Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＨＵＡＮＧＤｏｎｇ（１９９３－），ｍａｌｅ，ｍａｓｔｅｒｓｔｕｄｅｎｔ．
立浮式防波堤模型，求解分析不同波浪方向作用下浮式防波堤整体水动力性能及系泊缆有效张力变化
情况，并针对浮式防波堤端侧缆失效后情况进行对比分析，得出在方向为 ６７．５°的波浪作用下横摇运动
最为剧烈，且浮式防波堤两端缆绳的张力在两种浪向下均大于两侧缆绳张力等结论。分析结果对浮式
防波堤安全建设及使用提供一定理论依据，对浮式防波堤在港口建设中的应用具有较好参考价值。