摘    要：利用水動(dòng)力分析軟件AQWA,基于三維勢(shì)流理論，采用數(shù)值分析法對(duì)圓筒型浮式防波堤進(jìn)行了水動(dòng)力研究；計(jì)算得到了不同浪向下的防波堤幅值響應(yīng)算子、不同水深下的附加質(zhì)量、防波堤運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和纜索張力。研究結(jié)果表明：本浮式防波堤橫蕩、縱蕩與垂蕩運(yùn)動(dòng)主要由低頻運(yùn)動(dòng)引起；由于系泊纜多為艏纜和艉纜，因而浮體縱蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)域幅值較小，相較橫蕩與垂蕩的運(yùn)動(dòng)幅值小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

關(guān)鍵詞：港口工程;三維勢(shì)流理論;浮式防波堤;幅值響應(yīng)算子;附加質(zhì)量;

0 引 言

隨著人類對(duì)海洋資源開發(fā)的深入，對(duì)沿岸結(jié)構(gòu)和某些海洋工程結(jié)構(gòu)物保護(hù)的需求也越來越大。防波堤作為一種重要的現(xiàn)代海洋工程結(jié)構(gòu)物，能起到減弱外海波浪強(qiáng)度、維持堤內(nèi)水域平穩(wěn)、保護(hù)港內(nèi)建筑及海洋工程結(jié)構(gòu)物安全的作用。浮式防波堤是一種常見的海洋工程結(jié)構(gòu)物，主要由浮體結(jié)構(gòu)和系泊系統(tǒng)組成。目前對(duì)于浮式防波堤水動(dòng)力性能的研究大部分是通過數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)進(jìn)行。

在數(shù)值模擬方面，何夢(mèng)程等[1]設(shè)計(jì)了一種雙水平板-箱的新型組合式浮式防波堤，并使用ANSYS-AQWA軟件對(duì)該浮式防波堤與其系泊系統(tǒng)進(jìn)行了耦合水動(dòng)力分析，研究結(jié)果表明：浮體結(jié)構(gòu)水平板與方箱之間距離和水平板結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度對(duì)浮體的水動(dòng)力性能影響較大；JI Chunyan等[2]通過數(shù)值模擬方法，研究了多種結(jié)構(gòu)形式的浮式防波堤分別在二維和三維水池下的水動(dòng)力性能，研究結(jié)果表明：含有消浪網(wǎng)與消浪球的浮式雙浮筒防波堤消波性能更加優(yōu)異；任慧龍等[3]通過AQWA對(duì)單箱式浮式防波堤的數(shù)值模擬，得出了一種適用于淺水海域的最優(yōu)錨泊系統(tǒng)；T.K.PAPATHANASIOU等[4]通過有限元模型探究了柔性防波堤整體剛度對(duì)防波堤消浪性能的影響，研究結(jié)果表明：對(duì)于恒定剛度的防波堤而言，防波堤材料剛度越大，對(duì)波浪反射效果越明顯；S.M.R.TABATABAEI 等[5]基于有限元理論對(duì)橫截面為矩形和圓形浮式防波堤展開了二維數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明：在整個(gè)波頻范圍內(nèi)，圓形截面比矩形截面的消波性能更好；陳城等[6]通過數(shù)值模擬證明了加裝翼板可以提高浮式防波堤垂蕩運(yùn)動(dòng)的固有周期，使得帶翼板的浮式防波堤在面對(duì)較長(zhǎng)周期的波浪時(shí)，能夠吸收更多的波浪能；葛江濤等[7]利用數(shù)值模擬的方法對(duì)比驗(yàn)證了在弧型與直線型兩種不同的防波堤布局方式下的水動(dòng)力性能，結(jié)果表明：弧型布局浮式防波堤的系泊張力總體上與直線型相當(dāng)，在橫浪和斜浪工況下的橫搖響應(yīng)較為緩和，總體水動(dòng)力性能表現(xiàn)更佳；劉傳林等[8]結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果分析了波浪參數(shù)變化對(duì)半橢圓型防波堤水動(dòng)力特性影響，結(jié)果表明：反射系數(shù)隨hs/H增加而增大，透射系數(shù)隨hs/H增加而減小(hs為堤頂高程與水位的差值，H為設(shè)計(jì)波高)。

在物理模型試驗(yàn)方面，E.LOUKOGEORGAKI等[9]研究了在規(guī)則波和不規(guī)則波作用下，不同入射波參數(shù)對(duì)浮式防波堤系泊錨鏈?zhǔn)芰Φ挠绊懀粍⑿拿牡萚10]設(shè)計(jì)了一種在堤前和堤后安裝多孔結(jié)構(gòu)的新型浮式防波堤，研究了該防波堤的水動(dòng)力特性，試驗(yàn)結(jié)果表明：該新型防波堤與傳統(tǒng)防波堤相比，能在一定程度上降低透射系數(shù)和系泊纜繩張力；田永進(jìn)等[11]通過物理試驗(yàn)方法，對(duì)一種柔性多浮筒防波堤的水動(dòng)力性能進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：多浮筒式防波堤在波浪運(yùn)動(dòng)作用下的橫蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)是兩種不同頻率運(yùn)動(dòng)響應(yīng)疊加后的結(jié)果；程俊峰[12]通過物理模型試驗(yàn)，給出了雙擋板樁基透空式防波堤在規(guī)則波作用下透射系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式；張萬威等[13]在對(duì)樁基擋板式透空堤進(jìn)行堤型優(yōu)化研究中，證明增加擋浪板的入水深度或增加堤頂高程亦或兩者同時(shí)調(diào)整等方式對(duì)其消波特性有增強(qiáng)效果。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)浮式防波堤進(jìn)行了一定程度研究，但多數(shù)都是研究其消波性能，對(duì)于防波堤自身安全結(jié)構(gòu)特性及纜繩受力研究較少。基于此，筆者采用數(shù)值模擬方法，研究了圓筒型浮式防波堤在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及纜繩張力，并為浮式防波堤設(shè)計(jì)提供新的理論依據(jù)。

1 計(jì)算理論

1.1 三維勢(shì)流理論

假設(shè)流體無黏性、無旋且不可壓縮，則可以引入速度勢(shì)φ(x,y,z,t)來描述流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)[14]。當(dāng)海洋結(jié)構(gòu)物以自由面為基準(zhǔn)時(shí)，速度勢(shì)滿足Laplace方程，如式(1):

?2φφ(x,y,z,t)=0 (1)

Laplace方程和描述物體運(yùn)動(dòng)的速度勢(shì)需要進(jìn)行線性化處理，假定波浪運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)都較小，而流場(chǎng)中的速度勢(shì)時(shí)由入射波速度勢(shì)、繞射勢(shì)和輻射勢(shì)疊加而成，則可由式(2)表示。

φ(x,y,z,t)=φI(x,y,z,t)+φD(x,y,z,t)+φR(x,y,z,t) (2)

式中：φI為入射波速度勢(shì)，表明流場(chǎng)中速度分布情況；φD為繞射勢(shì)，表明結(jié)構(gòu)物對(duì)流場(chǎng)內(nèi)速度產(chǎn)生的影響；φR為輻射勢(shì)，表明結(jié)構(gòu)物的6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)和振蕩對(duì)流場(chǎng)的影響。

1.2 輻射繞射理論

繞射力是指浮體對(duì)入射波的反作用力，輻射力是因浮體本身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生波浪從而使物體受到的力[15]。波浪在遇到障礙物阻隔后會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的繞射現(xiàn)象，而浮體在發(fā)生橫搖等運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)參數(shù)復(fù)雜的輻射現(xiàn)象。輻射繞射理論由于過于復(fù)雜，目前對(duì)其理論分析主要使用小參數(shù)ε的冪級(jí)數(shù)，將總速度勢(shì)表達(dá)如式(3):

式中：φI表示入射波經(jīng)防波堤前的速度勢(shì)；φD表示入射波經(jīng)防波堤后產(chǎn)生的繞射速度勢(shì)；φR表示防波堤在橫搖運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的輻射運(yùn)動(dòng)勢(shì)；w為搖蕩運(yùn)動(dòng)頻率； t為時(shí)間。

2 數(shù)值模型

2.1 浮式防波堤模型設(shè)計(jì)

本圓筒型浮式防波堤為浮筒帶隔板式浮式防波堤，主體長(zhǎng)度為30 m, 寬度為20 m, 高度為8 m, 吃水為4 m, 布置于港灣的迎浪方向。主體結(jié)構(gòu)由兩個(gè)空心圓柱型浮筒和5個(gè)消波橫撐構(gòu)成。消波橫撐長(zhǎng)度為12 m, 寬度為2 m, 高度為8 m, 5個(gè)消波橫撐均位于兩浮筒之間。消波橫撐將兩浮筒連接為一個(gè)整體，能減輕結(jié)構(gòu)的總體重量和減小橫搖運(yùn)動(dòng)的幅度。浮體結(jié)構(gòu)內(nèi)部也設(shè)置數(shù)道艙壁，艙壁設(shè)置能減少浮體表面邊緣的質(zhì)量分布，減少浮筒及消波橫撐壁厚，從而減小防波堤橫搖及縱搖慣性矩，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全性。本浮式防波堤主體結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如表1;本圓筒型浮式防波堤模型如圖1;浮筒和橫撐幾何尺寸示意如圖2。

表1 浮式防波堤主要參數(shù)

參數(shù)	取值	參數(shù)	取值
浮體長(zhǎng)/m	30	浮筒直徑/m	8
浮體高/m	8	橫撐寬度/m	2
浮體寬/m	20	X軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m2)	1.47×108
設(shè)計(jì)吃水/m	4	Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m2)	2.02×108
重量/N	1.78×106	Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m2)	7.05×107

圖1 圓筒型防波堤模型 

圖2 模型幾何尺寸(單位：m) 

2.2 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浮式防波堤常用的系泊形式有錨鏈錨泊和垂直倒樁錨泊，其中錨鏈錨泊又分為懸鏈線式、張緊式、半張緊式等不同類型[16]16]。筆者所研究的圓筒型浮式防波堤工作海域水深擬定為60 m,屬于淺海水域。依據(jù)大量工程實(shí)例，懸鏈線式的系泊方式適用于淺水作業(yè)海域，故文中采取6根系泊纜索的懸鏈線式系泊方式。系泊纜索采用150 m的布錨半徑，每根系泊纜采用材質(zhì)為76 mm的單一鋼芯鋼纜，纜繩具體參數(shù)如表2。系泊系統(tǒng)中單個(gè)錨鏈總長(zhǎng)為150 m,拖地長(zhǎng)度為50 m,將導(dǎo)纜孔設(shè)計(jì)在浮體兩側(cè)設(shè)計(jì)吃水線處，本圓筒型浮式防波堤具體的錨鏈編號(hào)與錨泊布置如圖3。

表2 系泊纜索物理系數(shù)

參數(shù)	取值
長(zhǎng)度/m	150
軸向剛度/N	2.34×107
破裂力/N	6.67×106
空氣中重量/(kg/m)	23
水中重量/(kg/m)	20

圖3 系泊纜索平面布置 

對(duì)本防波堤進(jìn)行水動(dòng)力模擬計(jì)算時(shí)，以浮體重心位置為坐標(biāo)軸原點(diǎn)。因浮體整體形狀為中心對(duì)稱且設(shè)計(jì)吃水為高度值的一半，即形心位置與重心位置重合。表3為該浮式防波堤系泊設(shè)計(jì)下浮體錨纜鏈L1～L6所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。

表3 纜繩坐標(biāo)

錨纜鏈 序號(hào)	導(dǎo)纜孔坐標(biāo)/m		系泊點(diǎn)坐標(biāo)/m
X	Y	Z	X	Y	Z
L1	15	-6	0		115	-42.5	-60
L2	15	0	0		135	0	-60
L3	15	6	0		115	42.5	-60
L4	-15	6	0		-115	42.5	-60
L5	-15	0	0		-135	0	-60
L6	-15	-6	0		-115	-42.5	-60

（未完待續(xù)

文章來源：重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2023,42(05)