AQWA圆筒型浮式防波堤波浪运动响应仿真分析

摘    要：

利用水动力分析软件AQWA,基于三维势流理论，采用数值分析法对圆筒型浮式防波堤进行了水动力研究；计算得到了不同浪向下的防波堤幅值响应算子、不同水深下的附加质量、防波堤运动响应和缆索张力。研究结果表明：本浮式防波堤横荡、纵荡与垂荡运动主要由低频运动引起；由于系泊缆多为艏缆和艉缆，因而浮体纵荡运动时域幅值较小，相较横荡与垂荡的运动幅值小一个数量级。

关键词：港口工程;三维势流理论;浮式防波堤;幅值响应算子;附加质量;

0 引 言

随着人类对海洋资源开发的深入，对沿岸结构和某些海洋工程结构物保护的需求也越来越大。防波堤作为一种重要的现代海洋工程结构物，能起到减弱外海波浪强度、维持堤内水域平稳、保护港内建筑及海洋工程结构物安全的作用。浮式防波堤是一种常见的海洋工程结构物，主要由浮体结构和系泊系统组成。目前对于浮式防波堤水动力性能的研究大部分是通过数值模拟和物理模型试验进行。

在数值模拟方面，何梦程等[1]设计了一种双水平板-箱的新型组合式浮式防波堤，并使用ANSYS-AQWA软件对该浮式防波堤与其系泊系统进行了耦合水动力分析，研究结果表明：浮体结构水平板与方箱之间距离和水平板结构长度对浮体的水动力性能影响较大；JI Chunyan等[2]通过数值模拟方法，研究了多种结构形式的浮式防波堤分别在二维和三维水池下的水动力性能，研究结果表明：含有消浪网与消浪球的浮式双浮筒防波堤消波性能更加优异；任慧龙等[3]通过AQWA对单箱式浮式防波堤的数值模拟，得出了一种适用于浅水海域的最优锚泊系统；T.K.PAPATHANASIOU等[4]通过有限元模型探究了柔性防波堤整体刚度对防波堤消浪性能的影响，研究结果表明：对于恒定刚度的防波堤而言，防波堤材料刚度越大，对波浪反射效果越明显；S.M.R.TABATABAEI 等[5]基于有限元理论对横截面为矩形和圆形浮式防波堤展开了二维数值模拟，研究结果表明：在整个波频范围内，圆形截面比矩形截面的消波性能更好；陈城等[6]通过数值模拟证明了加装翼板可以提高浮式防波堤垂荡运动的固有周期，使得带翼板的浮式防波堤在面对较长周期的波浪时，能够吸收更多的波浪能；葛江涛等[7]利用数值模拟的方法对比验证了在弧型与直线型两种不同的防波堤布局方式下的水动力性能，结果表明：弧型布局浮式防波堤的系泊张力总体上与直线型相当，在横浪和斜浪工况下的横摇响应较为缓和，总体水动力性能表现更佳；刘传林等[8]结合数值模拟结果分析了波浪参数变化对半椭圆型防波堤水动力特性影响，结果表明：反射系数随hs/H增加而增大，透射系数随hs/H增加而减小(hs为堤顶高程与水位的差值，H为设计波高)。

在物理模型试验方面，E.LOUKOGEORGAKI等[9]研究了在规则波和不规则波作用下，不同入射波参数对浮式防波堤系泊锚链受力的影响；刘心媚等[10]设计了一种在堤前和堤后安装多孔结构的新型浮式防波堤，研究了该防波堤的水动力特性，试验结果表明：该新型防波堤与传统防波堤相比，能在一定程度上降低透射系数和系泊缆绳张力；田永进等[11]通过物理试验方法，对一种柔性多浮筒防波堤的水动力性能进行了分析，研究结果表明：多浮筒式防波堤在波浪运动作用下的横荡运动响应是两种不同频率运动响应叠加后的结果；程俊峰[12]通过物理模型试验，给出了双挡板桩基透空式防波堤在规则波作用下透射系数的经验计算公式；张万威等[13]在对桩基挡板式透空堤进行堤型优化研究中，证明增加挡浪板的入水深度或增加堤顶高程亦或两者同时调整等方式对其消波特性有增强效果。

国内外学者对浮式防波堤进行了一定程度研究，但多数都是研究其消波性能，对于防波堤自身安全结构特性及缆绳受力研究较少。基于此，笔者采用数值模拟方法，研究了圆筒型浮式防波堤在波浪作用下的运动响应及缆绳张力，并为浮式防波堤设计提供新的理论依据。

1 计算理论

1.1 三维势流理论

假设流体无黏性、无旋且不可压缩，则可以引入速度势φ(x,y,z,t)来描述流场运动[14]。当海洋结构物以自由面为基准时，速度势满足Laplace方程，如式(1):

∇2φφ(x,y,z,t)=0 (1)

Laplace方程和描述物体运动的速度势需要进行线性化处理，假定波浪运动和结构物运动都较小，而流场中的速度势时由入射波速度势、绕射势和辐射势叠加而成，则可由式(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为入射波速度势，表明流场中速度分布情况；φD为绕射势，表明结构物对流场内速度产生的影响；φR为辐射势，表明结构物的6个自由度运动和振荡对流场的影响。

1.2 辐射绕射理论

绕射力是指浮体对入射波的反作用力，辐射力是因浮体本身运动产生波浪从而使物体受到的力[15]。波浪在遇到障碍物阻隔后会产生复杂的绕射现象，而浮体在发生横摇等运动时会出现参数复杂的辐射现象。辐射绕射理论由于过于复杂，目前对其理论分析主要使用小参数ε的幂级数，将总速度势表达如式(3):

式中：φI表示入射波经防波堤前的速度势；φD表示入射波经防波堤后产生的绕射速度势；φR表示防波堤在横摇运动中产生的辐射运动势；w为摇荡运动频率； t为时间。

2 数值模型

2.1 浮式防波堤模型设计

本圆筒型浮式防波堤为浮筒带隔板式浮式防波堤，主体长度为30 m, 宽度为20 m, 高度为8 m, 吃水为4 m, 布置于港湾的迎浪方向。主体结构由两个空心圆柱型浮筒和5个消波横撑构成。消波横撑长度为12 m, 宽度为2 m, 高度为8 m, 5个消波横撑均位于两浮筒之间。消波横撑将两浮筒连接为一个整体，能减轻结构的总体重量和减小横摇运动的幅度。浮体结构内部也设置数道舱壁，舱壁设置能减少浮体表面边缘的质量分布，减少浮筒及消波横撑壁厚，从而减小防波堤横摇及纵摇惯性矩，加强结构安全性。本浮式防波堤主体结构主要参数如表1;本圆筒型浮式防波堤模型如图1;浮筒和横撑几何尺寸示意如图2。

表1 浮式防波堤主要参数

图1 圆筒型防波堤模型

图2 模型几何尺寸(单位：m)

2.2 系泊系统设计

浮式防波堤常用的系泊形式有锚链锚泊和垂直倒桩锚泊，其中锚链锚泊又分为悬链线式、张紧式、半张紧式等不同类型[16]16]。笔者所研究的圆筒型浮式防波堤工作海域水深拟定为60 m,属于浅海水域。依据大量工程实例，悬链线式的系泊方式适用于浅水作业海域，故文中采取6根系泊缆索的悬链线式系泊方式。系泊缆索采用150 m的布锚半径，每根系泊缆采用材质为76 mm的单一钢芯钢缆，缆绳具体参数如表2。系泊系统中单个锚链总长为150 m,拖地长度为50 m,将导缆孔设计在浮体两侧设计吃水线处，本圆筒型浮式防波堤具体的锚链编号与锚泊布置如图3。

表2 系泊缆索物理系数

图3 系泊缆索平面布置

对本防波堤进行水动力模拟计算时，以浮体重心位置为坐标轴原点。因浮体整体形状为中心对称且设计吃水为高度值的一半，即形心位置与重心位置重合。表3为该浮式防波堤系泊设计下浮体锚缆链L1～L6所对应的坐标。

表3 缆绳坐标

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