李佳繁，鄭艷娜，林裕強，陳昌平，楊 杰

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116024)

1 概述

如今的社會已進入全面高速發(fā)展的時代，這種發(fā)展格局不僅僅只局限于陸地，海洋蘊藏著豐富的可再生能源,而這些尚未完全開發(fā)的能源若是經(jīng)過合理開發(fā)及利用，那么將對人類的生產(chǎn)活動以及經(jīng)濟增長帶來空前的幫助，于是，在這樣的環(huán)境下，就必須具備一些必要的保護海洋環(huán)境安全的工程及設施裝備，例如防波堤工程。與傳統(tǒng)防波堤相比，浮式防波堤具有海水交換功能強、不需要進行地基處理、安放位置可變、施工速度快等優(yōu)點[1]。另一方面海洋清潔能源的開發(fā)利用是助力雙碳目標，實現(xiàn)綠色發(fā)展的重要途徑。波浪能被認為是最佳的清潔能源之一，越來越引起人們的關注。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近年來浮式防波堤研究的熱點。

相對于單體浮式防波堤，雙體浮式防波堤結構對波浪的反射和耗散效果更好[2]。Williams等[3]基于勢流理論，利用邊界元方法對剛性連接的雙箱式浮式防波堤及兩個未連接的方箱浮式防波堤的消浪效果進行模擬，結果表明浮堤的寬度、吃水、兩浮箱間距、錨鏈剛度對其反射系數(shù)有一定影響。Koftis等[4]對固定雙浮箱式防波堤的消浪效果進行模擬，結果表明透射系數(shù)隨相對寬度的增大而減小。沈雨生等[5]對剛性連接的雙浮箱式浮式防波堤進行了物理模型試驗，可以得到其透射系數(shù)均小于前后浮箱自由的雙浮箱式浮堤與相同寬度的單浮箱式浮堤。Shunichi Ikesue等[6]對帶有內(nèi)外翼板的雙浮箱式浮式防波堤進行了物理試驗研究，結果表明，透射系數(shù)隨著相對寬度的增大逐漸減小，內(nèi)外翼板對波浪能量也有一定的消減作用。楊彪等[7]對雙浮箱-雙水平板式浮式防波堤進行了規(guī)則波的物理模型試驗研究，研究表明在雙箱結構上加雙水平板，透射系數(shù)最多減小0.4左右。鄭艷娜等[8]采用邊界元方法對系泊的雙箱浮式防波堤結構進行時域數(shù)值模擬，并對其透射系數(shù)進行計算，與試驗結果比較變化趨勢相一致，由于未考慮摩擦及波浪破碎等因素，計算結果偏大。

浮式防波堤應用開孔方箱可以使波浪充分摻雜破碎，有效減小透射系數(shù)，增強消浪效果。王環(huán)宇[9]針對一種菱形模塊拼裝成的多孔浮式防波堤進行了測試，內(nèi)容包括浮堤的消浪性能及系泊纜的受力，通過改變不同的結構參數(shù)，得出了浮堤內(nèi)部幾何構造對透射系數(shù)及系纜力的影響較大的結論。胡文清等[10]通過數(shù)值模擬與物理模擬結合的方法，研究了孔隙率對結構水面消波特性的影響，結果表明，消波效果并不由孔隙率決定，孔徑小的結構消波效果更好。

振蕩水柱式(OWC)波浪能發(fā)電技術裝置應用較廣，其工作原理是利用波浪上下浮動，浮在海面上的結構腔體內(nèi)部的水面不斷起伏，內(nèi)部空氣不斷被擠壓，在OWC排氣口設置透平裝置，使壓縮的空氣帶動發(fā)電裝置進行發(fā)電。國內(nèi)外對OWC發(fā)電裝置的研究一直在進行，隨著研究的不斷深入，從最初的小型裝置到后來的大型裝置，從近岸式轉(zhuǎn)變?yōu)殡x岸式，從淺海一步步轉(zhuǎn)變到深海，都為OWC與浮式防波堤的結合奠定了基礎[11]。HE等[12]提出了一種將振蕩水柱裝置與浮式防波堤結合的結構，系泊纜繩松弛，結果表明，該防波堤對長周期波浪的消波效果較傳統(tǒng)浮式防波堤有一定提升。HE等[13]利用物理實驗研究了樁基支撐的振蕩水柱結構式防波堤的消浪性能，研究表明該結構對波浪具有良好的吸收與耗散能力。

本文提出一種將振蕩水柱(OWC)波能發(fā)電裝置與開孔方箱相結合的雙體浮式防波堤，本模型在前方箱中嵌入OWC裝置，后方箱做開孔處理，這樣可以在有效消除波浪的同時合理利用海洋能。本文對其消浪特性展開研究，通過與相似結構的浮式防波堤進行比較，得出這種新型防波堤的透射系數(shù)的變化規(guī)律，為實際工程應用提供理論基礎。

2 計算模型

2.1 模型的基本結構

建立波能發(fā)電開孔浮式防波堤模型，基本結構為兩個浮箱，前方箱為嵌入OWC的方箱，后方箱為開孔方箱，開孔率為16.7%，其目的在于使透過前方箱的波浪進一步破碎與耗散，達到更好的消能效果，為了保持結構的穩(wěn)定性與消浪效率，開孔間距不宜過大或過小，模型如圖1所示。單個方箱的尺寸為18 m×12 m×8 m，吃水深度為5 m，來浪方向為沿x軸正向，水深為h，方箱間利用擋板相連，擋板長度為d，錨鏈平行布置，采用八字錨泊方式，拖地長度為l，各部分構件之間剛性連接，布置示意圖見圖2。

2.2 數(shù)值模擬條件

數(shù)值模擬波浪采用規(guī)則波，周期為5 s～15 s(6種周期)，不同水深，不同入射波高等。具體計算工況見表1。

表1 計算工況

3 數(shù)值建模

本文應用ANSYS AQWA，基于三維勢流理論，將流體看作理想流體，利用Rhino創(chuàng)建浮體結構實體模型，讀入ANSYS Workbench中，對其修正后將水面以下的結構劃分若干網(wǎng)格進行計算。主要應用模塊包括：AQWA-Line頻域水動力求解模塊，模擬浮式防波堤在規(guī)則波中的運動響應，基礎理論有波浪的輻射、衍射理論、格林函數(shù)。AQWA-Liberium靜平衡計算模塊，分析浮式防波堤前后浮箱平衡位置的穩(wěn)定性。AQWA-Drift平均濕表面時域計算模塊，基礎理論有二階力、時域非線性理論。AQWA-Naut瞬時濕表面時域計算模塊，在特定波浪要素下，分析前后浮箱運動時間歷程[14-19]。

浮式防波堤的透射系數(shù)一般用堤后透射波高Ht與堤前入射波高Hi的比值來表示，即：

4 數(shù)值模擬驗證

為了驗證本文數(shù)學模型計算的準確性，對振蕩水柱(OWC)結構進行模擬，并將結果與王鵬[20]的試驗結果對比，如圖3所示，可以看出兩者吻合良好。為了驗證錨鏈系泊的開孔浮堤的計算準確性，將本文數(shù)學模型計算結果與劉心媚[21]的試驗結果進行比較，如圖4所示，可以看出結果基本一致。

通過以上算例的驗證可以說明，本文的數(shù)學模型可以比較準確的模擬OWC結構以及系泊開孔浮堤周圍波浪場的情況。

5 數(shù)值模擬結果分析

5.1 結構比選

為了確定浮式防波堤的結構模式，分別對雙箱、嵌入OWC的方箱-方箱、方箱-開孔方箱及嵌入OWC的方箱-開孔方箱四種結構進行模擬計算。選取雙體結構間距為d=12 m，波高H=1 m，3 m，5 m。四個模型的透射系數(shù)結果如圖5所示，圖5中橫坐標為波浪周期T，縱坐標為透射系數(shù)Kt。通過對比四種浮堤的透射系數(shù)可以看出，雙箱的透射系數(shù)比較大，在長波(T>9.63 s)情況下，有開孔方箱結構的透射系數(shù)小于不開孔方箱結構，在短波(T=5 s)情況下，嵌入OWC的單箱-單箱結構透射系數(shù)較小。經(jīng)過綜合比較可以看出，嵌入OWC的方箱-開孔方箱的新型浮式防波堤對長波的消浪性能有所提高，同時OWC方箱可以對波浪能進行利用，具有較好的應用潛力。

5.2 周期對消浪效果的影響

圖6給出兩種水深(h=18 m，25 m)、兩種入射波高(H=1 m，3 m)條件下的可發(fā)電開孔浮堤透射系數(shù)變化情況。從圖6可以看出，在波浪周期比較小時，結構的透射系數(shù)較小，即消波效果更好，在波浪周期較大時(T≥8.63 s)，周期的改變對透射系數(shù)影響不大。當周期由8.63 s減小到5 s時，透射系數(shù)明顯減小，尤其是在6.95 s～5.82 s段，減小趨勢非常明顯?？偟脕砜矗ɡ酥芷谠叫?，結構的消浪性能越好。

5.3 水深對消浪效果的影響

由圖6可以看出，在相同入射波高時，水深18 m的透射系數(shù)明顯小于水深25 m，尤其在周期T=8.63 s～5.82 s內(nèi)。而且值得注意的是，當入射波高為3 m時水深18 m的透射系數(shù)要小于入射波高為1 m時水深25 m的透射系數(shù)，也就是說，相較于入射波高，水深對消浪性能的影響更大一些?？傮w來說，水深越小，透射系數(shù)越小，這是由于水深變小相當于增加了結構的吃水深度，使結構的擋水面積增大，可以阻擋更多的波浪，擋浪效果變好。

6 結語

本文利用ANSYS AQWA對一種新型波浪能發(fā)電開孔浮式防波堤進行了數(shù)值模擬，討論了周期、水深等因素對浮堤透射性能的影響規(guī)律，得到以下結論：相較于相似結構，波浪能發(fā)電開孔浮式防波堤消浪效果較好，尤其對長波有一定的改進；周期對OWC-開孔式浮式防波堤的消浪性能影響較明顯；水深對OWC-開孔式浮式防波堤消浪性能的影響較大，水深較小時浮堤的消浪性能較好。