李佳繁，鄭艷娜，2，林裕強(qiáng)，陳昌平，2，楊 杰，2

(1.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院 遼寧 大連 116024；2.設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧 大連 116024)

浮式防波堤具有方便安裝、可進(jìn)行水質(zhì)交換等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到廣泛的關(guān)注。在推進(jìn)實(shí)現(xiàn)全球碳中和的背景下，波浪能被認(rèn)為是最佳的清潔能源之一。因此研發(fā)具有較好的消浪性能并可以兼顧波浪能發(fā)電等多種功能的浮式防波堤是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

近年來的研究表明，雙體浮式防波堤結(jié)構(gòu)具有更好的消浪特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究和試驗(yàn)研究。鄭艷娜等[1]、王曦巍等[2]對(duì)雙浮箱式防波堤進(jìn)行了數(shù)值模擬，沈雨生等[3]、Ikesue等[4]對(duì)雙浮箱浮式防波堤進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)研究，討論了浮堤結(jié)構(gòu)因素對(duì)透射系數(shù)和反射系數(shù)的影響。開孔浮堤可以有效減小透射系數(shù)，胡文清等[5]、劉心媚[6]對(duì)多孔浮式防波堤進(jìn)行研究，討論不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)、孔隙率等因素對(duì)消浪性能及系泊受力的影響。在波浪能開發(fā)裝置中，振蕩水柱式(OWC)波浪能發(fā)電裝置可以利用波浪上下浮動(dòng)引起腔體內(nèi)部的水面起伏，內(nèi)部空氣被擠壓，通過排氣口設(shè)置透平裝置發(fā)電。于定勇等[7]對(duì)振蕩水柱裝置與防波堤結(jié)合的結(jié)構(gòu)的消波效果進(jìn)行了研究。

本文提出一種將OWC振蕩水柱裝置與開孔方箱相結(jié)合的雙體浮式防波堤，迎浪側(cè)方箱中嵌入OWC裝置，背浪側(cè)方箱采用開孔結(jié)構(gòu)，旨在消減波浪的同時(shí)利用波浪能。本文對(duì)這種組合浮堤的消浪特性展開研究，討論雙箱間距、開口寬度、錨泊方式等因素對(duì)浮堤透射系數(shù)的影響規(guī)律，為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 計(jì)算模型

1.1 模型結(jié)構(gòu)

OWC-開孔浮式防波堤主要有兩個(gè)方浮箱，結(jié)構(gòu)形式見圖1，迎浪側(cè)為嵌入OWC的方箱，背浪側(cè)為開孔方箱，頂部和兩側(cè)的小孔尺寸分別為0.5 m×0.8 m及0.5 m×0.5 m，開孔率為16.7%。單個(gè)方箱的尺寸為18 m×12 m×8 m，吃水深度為5 m，兩方箱用擋板相連，間距為d，各部分構(gòu)件之間剛性連接。錨鏈采用八字錨泊方式，拖地長(zhǎng)度為l，系泊浮堤見圖2，浮堤上部結(jié)構(gòu)見圖3。

圖1 OWC-開孔式浮式防波堤上部結(jié)構(gòu)模型

圖2 錨鏈系泊OWC-開孔浮式防波堤

圖3 OWC-開孔浮式防波堤上部結(jié)構(gòu)(單位：m)

1.2 模擬條件

數(shù)值模擬波浪采用規(guī)則波，具體計(jì)算工況為：錨泊方式分不拖地(l=0 m)、拖地(l=9 m)兩種，水深h=18、25 m，OWC開口寬度B1=3、5 m，波浪入射角=0°、30°、45°、60°，波高H=1、3、5 m，間距d=6、8、10、12 m，波浪周期T=5.00、5.82、6.95、8.63、11.40、15.00 s。

2 數(shù)值建模

2.1 應(yīng)用軟件

基于三維勢(shì)流理論，主要應(yīng)用ANSYS AQWA軟件中Hydrodynamic Diffraction、Hydrodynamic Response及AQWA Graphical Supervisor(AGS)模塊，得到浮式防波堤后方波浪的波面分布，并應(yīng)用平均值法對(duì)透射波波面進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。

2.2 控制方程及邊界條件

假定流體為不可壓縮的均勻理想流體，流場(chǎng)速度勢(shì)的控制方程為L(zhǎng)aplace方程：

(1)

運(yùn)用線性疊加原理，簡(jiǎn)諧傳播的波浪中具有浮動(dòng)剛體的流場(chǎng)速度勢(shì)如下：

φ(x，y，z，t)=φr+φw+φd

(2)

式中：φr為浮體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輻射勢(shì)；φw為波浪未經(jīng)浮體擾動(dòng)的入射勢(shì)，φd為波浪穿過浮體產(chǎn)生的繞射勢(shì)。

由物質(zhì)導(dǎo)數(shù)和伯努利方程推導(dǎo)可得自由表面運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)邊界條件為：

(3)

(4)

海底邊界條件為：

(5)

2.3 浮式防波堤的透射系數(shù)

透射系數(shù)Kt是衡量浮式防波堤消浪特性的指標(biāo)，由透射波高和入射波高的比值表示：

(6)

式中：Ht為透射波波高；Hi為入射波波高。

2.4 數(shù)值模擬驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文數(shù)學(xué)模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，與雙浮箱-雙板浮式防波堤的RAO(response amplitude operator)與單位入射波高作用下模型的運(yùn)動(dòng)高度比較見圖4，與文獻(xiàn)[8]吻合較好；八字錨鏈系泊單方箱浮堤的結(jié)果見圖5，與文獻(xiàn)[9]吻合較好；振蕩水柱裝置的結(jié)果與文獻(xiàn)[10]的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖6；開孔浮堤的驗(yàn)證見圖7，與文獻(xiàn)[6]的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖4 雙箱浮堤縱搖RAO的驗(yàn)證

圖5 單方箱-錨鏈?zhǔn)礁∈椒啦ǖ掏干湎禂?shù)的驗(yàn)證

圖6 振蕩水柱式防波堤透射系數(shù)的驗(yàn)證

圖7 多孔浮式防波堤透射系數(shù)的驗(yàn)證

通過以上算例的驗(yàn)證可以說明，本文的數(shù)學(xué)模型可以比較準(zhǔn)確地模擬OWC結(jié)構(gòu)及系泊雙體浮堤的運(yùn)動(dòng)和周圍波浪場(chǎng)的情況，可用于系泊OWC-開孔浮堤的數(shù)值計(jì)算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)比選

為了初步了解OWC-開孔浮堤結(jié)構(gòu)的消浪性能，分別對(duì)4個(gè)模型(表1)在間距d=12 m時(shí)的透射系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖8。通過對(duì)比4種浮堤的透射系數(shù)可以看出，模型A和模型B的透射系數(shù)比較大；模型D的透射系數(shù)比較小，尤其是長(zhǎng)波情況下，透射系數(shù)較雙箱結(jié)構(gòu)減少10%左右，消浪效果比較明顯；模型C的透射系數(shù)介于之間。因此從消浪性能的角度考慮，模型D(OWC-開孔浮堤)具有較好的消浪性能，同時(shí)具有發(fā)電的潛力，是一種具有應(yīng)用潛力的浮式防波堤。

表1 浮堤上部結(jié)構(gòu)模型

圖8 不同結(jié)構(gòu)浮堤的透射系數(shù)

3.2 間距對(duì)消浪效果的影響

為了研究間距對(duì)結(jié)構(gòu)消波效果的影響，改變雙浮堤的間距，即d/(2B)=0.25、0.33、0.42、0.50，錨泊方式采用拖地l=9 m，計(jì)算得到水深h=25 m時(shí)的透射系數(shù)見圖9。

比較圖9a)中的4種間距浮堤的透射系數(shù)可以看出，在本文試驗(yàn)條件下的短波波況下，間距越大透射系數(shù)越小，隨著周期增加，間距對(duì)透射系數(shù)的影響變小；對(duì)于長(zhǎng)波情況，不同間距的透射系數(shù)相差不大。對(duì)比圖9a)～c)可以看出，隨著波高的增大，間距對(duì)長(zhǎng)周期波浪下透射系數(shù)的影響減弱。也就是說增加間距可以明顯改善小波高短波的消浪性能，但是對(duì)大波高長(zhǎng)波的消浪性能影響不大。這是由于增加結(jié)構(gòu)間距相當(dāng)于增加了整個(gè)結(jié)構(gòu)的寬度，波浪穿透防波堤比較困難，并且在兩個(gè)浮箱之間也會(huì)耗散波浪，因此間距越大OWC-開孔式浮式防波堤的消浪效果越好。但是對(duì)于長(zhǎng)周期波浪，波能沿水深分布范圍較大，即使增加結(jié)構(gòu)寬度，也不能明顯消減波浪能量。

圖9 不同間距的透射系數(shù)

3.3 開口寬度對(duì)消浪效果的影響

迎浪側(cè)OWC浮箱通過迎浪側(cè)的開孔使入射波進(jìn)入內(nèi)部氣室，進(jìn)而壓縮氣室內(nèi)空氣進(jìn)行發(fā)電，因此迎浪側(cè)開口的尺寸對(duì)消浪和發(fā)電均有影響，本文重點(diǎn)討論對(duì)消浪的影響。開口在垂向z方向的尺寸為3 m，調(diào)整y向的開口寬度B1(圖3)，討論其對(duì)透射系數(shù)的影響。兩種水深h=18、25 m波況下，兩種開口寬度B1=3、5 m(B1/W=0.167、0.278)的透射系數(shù)變化曲線分別見圖10、11。由圖10可以看出，兩條曲線的變化趨勢(shì)基本一致，在本文試驗(yàn)條件下，增大開口寬度后，透射系數(shù)普遍減小，但是變化幅度不大，平均減小6%。這是由于增大OWC裝置的開口寬度，更多的波浪進(jìn)入OWC中，相當(dāng)于裝置吸收了更多的波浪，使透過浮堤的波浪減少，從而達(dá)到更好的耗散波浪的效果。由圖11可以看出，水深增加以后，增加開口寬度同樣使透射系數(shù)減小，但是兩條曲線的變化趨勢(shì)略有不同。當(dāng)周期T=6.85 s時(shí)，兩種開口寬度的透射系數(shù)相差明顯增大。原因在于開口寬度變化會(huì)導(dǎo)致OWC浮堤結(jié)構(gòu)的自振頻率改變，當(dāng)某一波浪頻率接近結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí)，會(huì)引起氣室內(nèi)水體及整個(gè)浮堤的劇烈振蕩，從而導(dǎo)致能量耗散增加，使透射系數(shù)顯著變化。在結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮這一因素。

圖10 h=18 m時(shí)不同OWC開口寬度的透射系數(shù)

圖11 h=25 m時(shí)不同OWC開口寬度的透射系數(shù)

3.4 錨泊方式對(duì)消浪效果的影響

為了研究錨鏈拖地長(zhǎng)度對(duì)浮堤的消浪性能的影響，對(duì)H=1 m時(shí)錨鏈拖地(l=9 m)和不拖地(l=0 m)兩種錨泊方式下的透射系數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果見圖12?？梢钥闯鲈诒疚脑囼?yàn)條件下，錨鏈拖地情況下的透射系數(shù)普遍較大。這是由于錨鏈不拖地時(shí)，長(zhǎng)度較短，錨鏈處于繃直狀態(tài)，對(duì)浮堤的約束作用比較強(qiáng)，同時(shí)也會(huì)使錨鏈?zhǔn)芰υ黾樱菀装l(fā)生錨鏈斷裂崩開的情況。比較兩種錨泊情況下的透射系數(shù)差值在0.5%～8.6%，相差不大，因此，從安全穩(wěn)定的角度考慮，建議采用錨鏈拖地的系泊方式。

圖12 不同錨泊方式的透射系數(shù)

3.5 入射波角度對(duì)消波效果的影響

實(shí)際海況下，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斜向入射的波浪，需要了解波浪入射角度對(duì)透射系數(shù)的影響。當(dāng)波浪沿著x軸正向傳播時(shí)(圖1)，定義入射波角度為0°；波浪沿著y軸正向傳播時(shí)，入射波角度為90°。間距d=10 m、波高H=1 m時(shí)，不同入射角度波浪作用下OWC-開孔浮堤的透射系數(shù)見圖13。

圖13 不同入射波角度的透射系數(shù)

由圖13可以看出，在本文試驗(yàn)條件下，正向入射(角度為0°)時(shí)透射系數(shù)最小，隨著波浪斜向入射角度的增大透射系數(shù)略有增加。這是由于波浪正向入射時(shí)，反射波能較多，因此透射系數(shù)較小；當(dāng)斜向入射時(shí)，反射波消耗的能量減少則透射系數(shù)有所增加。3種波高、不同周期波況下斜向入射時(shí)透射系數(shù)與正向入射透射系數(shù)的差值見表2，T1～T6分別對(duì)應(yīng)從小到大的6個(gè)周期?？梢钥闯霾ɡ诵毕蛉肷鋾r(shí)透射系數(shù)增大幅度不大，平均增幅3.9%左右。因此可以說OWC-開孔浮堤對(duì)斜向入射波浪的消減作用略有下降。

表2 斜向入射時(shí)透射系數(shù)差值Δ

4 結(jié)論

1)相較于相似結(jié)構(gòu)，OWC-開孔結(jié)構(gòu)的浮式防波堤消浪效果較好，尤其對(duì)長(zhǎng)波有一定的改進(jìn)。

2)在本文試驗(yàn)波況下，增加雙浮堤間距可以明顯改善小波高短波的消浪性能，但是對(duì)大波高長(zhǎng)波的消浪性能影響不大。

3)增大開口寬度可以減小透射系數(shù)，但是變化幅度不大；開口寬度變化會(huì)導(dǎo)致OWC浮堤結(jié)構(gòu)的自振頻率改變，使透射系數(shù)變化顯著。浮堤間距較寬時(shí)、OWC開口寬度較寬時(shí)消浪效果較好。

4)在大多數(shù)情況下，錨鏈不拖地的浮堤消浪性能略優(yōu)于錨鏈拖地情況，但相差不大。

5)波浪正向入射浮堤時(shí)，因反射波能較多，消浪性能較好、浮堤對(duì)斜向入射波浪的消減作用略有下降。