超长尺度浮式防波堤多模块耦合动力响应分析

为研究多模块浮式防波堤模块之间的耦合动力响应规律,基于目标海域环境条件,提出一种能够提供特大掩护水域的超长尺度浮式防波堤总布置设计方案,并对超长尺度浮式防波堤的构型、连接结构及系泊系统进行设计。在此基础上,基于三维势流理论对超长尺度浮式防波堤的水动力性能进行频域和时域分析,考虑环境载荷作用下浮式防波堤多模块耦合运动,并对其中间及两侧模块的运动响应及系泊缆张力进行对比分析。研究结果表明:横浪和斜浪工况下,超长尺度浮式防波堤中间模块在垂荡、横摇和纵摇方向上的运动均最剧烈。由于防波堤首部模块在横浪和斜浪工况下横荡运动最剧烈,因此浮式防波堤首部模块迎浪运动侧系泊缆在2种工况下所受张力最大,这在超长尺度浮式防波堤系泊系统设计过程中需重点关注。数值模拟结果可为此后超长尺度浮式防波堤设计及工程化应用提供技术支撑。

组合型浮式防波堤水动力响应与消浪性能研究

为提升方箱式浮式防波堤的稳定性和消浪效果,本文发展了一种组合型浮式防波堤,并基于计算流体动力学方法,采用黏性流体理论,建立了二维数值水槽,以组合型浮式防波堤为研究对象,并通过与方箱式浮式防波堤进行对比,重点探讨了系泊方式和波参数对组合型浮式防波堤运动响应与消浪性能的影响.此外,对浮式防波堤周围水体的涡量分布情况进行了分析,揭示了其波浪能量耗散机制.研究结果表明,组合型浮式防波堤对波浪的耗散能力远高于方箱式浮式防波堤,其主要通过能量耗散衰减波浪.相比于方箱式浮式防波堤,组合型浮式防波堤的整体运动响应较小、消浪能力较强,且系泊方式对组合型浮式防波堤运动响应与消浪性能影响较小.然而,当入射波高增加时,系泊方式对其消浪性能有较大影响.研究结果可为浮式防波堤的优化设计和实际工程应用提供参考.

腔体共振型浮式防波堤消波性能试验

采用Helmholtz共振腔原理设计腔体共振型浮式防波堤,通过设计合理的腔体结构,使外部波浪与腔内流体共振,从而耗散波能,有效提升对长周期波浪的消波效果。通过试验方法对4个不同底部间隙的腔体共振型和1个传统方型浮式防波堤模型进行分析和比较,重点研究不同波高和周期下的透射系数、运动响应和系泊力。结果表明:腔体共振型浮式防波堤能有效克服传统方型浮式防波堤在长周期消波应用中存在的技术缺陷。同时,在相同主尺度下,相比传统方型浮式防波堤,间隙堤宽比为0.3的腔体共振型浮式防波堤在长周期波中的透射系数可减少15%~20%。

鼎形浮式防波堤消浪性能研究

为进一步提高矩形浮式防波堤消浪性能,设计一种鼎形浮式防波堤,基于STAR-CCM+软件建立二维数值模型,分析3种潮位下吃水深度、弧墙高度和弧墙角度对该结构消浪性能的影响。研究结果表明:与矩形方箱浮式防波堤相比,鼎形浮式防波堤可有效提升消浪性能;该结构透射系数随着吃水深度、弧墙高度和弧墙角度的增加而减小;反射系数随着吃水深度和弧墙高度的增加而增大,弧墙角度对浮堤的反射系数影响不明显;透射系数随着相对宽度的增加总体呈下降趋势,反射系数随着相对宽度的增加总体呈上升趋势。在研究的波浪要素条件下,当结构参数设置为吃水深度0.2 m、弧墙高度0.05 m、弧墙角度54°时,透射系数、反射系数分别达到0.11、0.61,此时为最优参数设置,浮堤的消浪性能最好。

多模块箱型浮式防波堤强度分析方法研究

针对弹性连接的多模块箱型浮式防波堤的结构强度分析,本文提出一种新的模型约束方法,将多模块箱型浮式防波堤间的弹性连接结构简化为弹簧并实现载荷传递,在每个模块的止链器处采用弹性约束以防止其发生刚性位移并模拟锚链的约束作用,采用三维势流理论对超长箱型浮式防波堤进行载荷计算和强度分析。结果表明,每个箱型浮式防波堤模块在中部因中垂现象产生较大应力,相比其他模块中间模块和两端模块的应力较大,并通过和刚性连接结构强度分析对比发现,由于刚性连接结构无法释放自由度,采用弹性连接计算所得的应力结果要比采用刚性连接结构的小62.07%。本文研究成果可为今后多模块浮式防波堤的结构强度校核提供参考。

双筒双板式浮式防波堤消浪性能研究

浮式防波堤具有对海洋环境友好、施工方便、造价受水深影响小等优点,在海岸工程领域有广阔的应用前景。但受消波效果不稳定、结构易破坏且对锚泊系统要求高等因素的影响,浮式防波堤在实际工程应用中面临较大的挑战。本文采用物理模型试验以及基于OpenFoam的数值模拟方法,对一种由双浮筒、双竖板与水平连接板组成的新型浮式防波堤结构进行消浪性能研究。讨论波浪要素、相对竖板高度、相对水平连接板宽度等因素对双筒双板式浮式防波堤(DCDPFB)消浪性能的影响,分析其周围形成的局部涡量与速度场变化,确定相对最优的结构尺寸。结果表明,相对水平连接板宽度、相对竖板高度和半圆柱体尺寸是影响DCDPFB消浪性能的关键因素;波高与入水深度对透射系数的影响较小;DCDPFB周围形成的局部涡量与速度场变化是耗散波浪能量的重要因素;按照相对最优结构尺寸建造的DCDPFB试验段,在海上原型试验中表现出良好的消波性能。

液舱晃荡对压载水型浮式防波堤消浪性能的影响

基于计算流体力学(CFD)方法,建立了波浪与压载水型浮式防波堤相互作用的数值模型,模拟分析了波浪场分布特征,探究了液舱晃荡对压载水型浮式防波堤消浪性能的影响.结果表明:压载水型浮式防波堤通过减小防波堤运动响应和增大对入射波能量的消耗来提升消浪性能;对比干砂型浮式防波堤,压载水型浮式防波堤消浪性能最高可提升21.9%;常见入射波浪频率接近液舱晃荡固有频率,引起舱内液体会发生共振现象,导致防波堤消浪性能减弱;在防波堤液舱内部加入竖向挡板,改变其液舱晃荡的固有频率,加入挡板后防波堤消浪性能最高可提升51.6%.结果有望为海岸防护工程领域提供新的思路和解决方案,为实际工程提供一定的参考.

规则波与浮式防波堤相互作用的SPH模拟研究

相较于传统防波堤,浮式防波堤因具有方便安装、可实现水质交换、可在多种环境下施工以及可移动等优点得到了广泛发展。采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,研究规则波与浮式防波堤的相互作用。首先在空水槽中基于规则波传播算例进行粒子间距的收敛性分析,然后基于验证的水槽模型模拟规则波与单浮体、双浮体的相互作用,并分析了浮体前后波形、浮体的运动及浮体附近的流速场。结果表明,双浮体防波堤相比单浮体防波堤能够显著提升消波性能。

多块多刚体铰接式浮式防波堤消波特性数值模拟

为研究浮式防波堤的消波机理,在方箱型浮式防波堤的基础上,提出一种多刚体耦合式浮式防波堤设计方法,将方型旋转体与防波堤主体通过旋转关节进行耦合,建立多刚体耦合模型。在此基础上,通过改变方型旋转体模型吃水以下的截面形状,设计出U型体和半椭圆型体浮式防波提铰接模型。基于多体耦合运动理论,采用基于有限体积法理论的STARCCM+软件建立浮式防波堤消波数值模型和计算方法,对3种不同铰接构型的多刚体耦合式浮式防波堤水动力性能及消波性能进行数值分析,研究各构型的消波性能。结果表明:多块多刚体浮式防波堤内部多系统耦合运动加剧了对入射波能量的耗散,有较为出色的消波效果,通过对比3种不同构型的铰接式浮式防波堤,得到了多刚体铰接式浮式防波堤消波性能及水动力响应变化规律。研究结果可为浮式防波堤设计及工程化应用提供技术支撑。

含翼板浮式防波堤消浪性能分析

本文将浮式防波堤结构简化为两自由度的刚体运动,基于黏性不可压缩流体理论,用体积分数方法捕捉自由液面,采用重叠网格技术和有限体积法,使用计算流体力学软件Star-CCM+建立了二维数值水槽,对新提出的一种含翼板的箱型浮式防波堤和不含翼板的传统箱型浮式防波堤进行了数值模拟,对比分析了两种浮式防波堤的消浪性能、运动响应和流场特性,结果表明:翼型挡板能有效降低浮式防波堤的运动响应;含翼板和不含翼板浮式防波堤运动响应的不对称性是由水下两对不同强度和不同演化形式的旋涡造成的;附加翼型挡板在水下能形成强度更大的旋涡,从而吸收更多的波浪能,能够明显提升箱型浮式防波堤的消浪效果;附加翼型挡板在高性能的浮式防波堤设计中具有巨大潜力.

不规则波浪作用下带腹板型浮式防波堤的水动力特性研究

本文基于福州港松下港区拟建的浮式防波堤开展研究,建立不规则波浪与带腹板型浮式防波堤相互作用的数值模型,通过开展水槽试验,对该模型进行验证。进而对带腹板型浮式防波堤的水动力特性进行模拟分析,讨论波浪透射系数和锚链拉力的影响因素。结果表明,防波堤的消浪性能随吃水深度、腹板高度和浮箱宽度的增大而提升;在入射波浪有效周期接近纵荡自振周期时,锚链拉力显著增大,在浮式防波堤设计中,应使得结构纵荡自振周期远离设计波浪周期。研究结果可为实际工程设计提供参考。

基于AQWA的圆筒型浮式防波堤波浪运动响应分析

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。

船舶碰撞作用下浮式防波堤系泊系统的动力特性

为研究船舶碰撞浮式防波堤系泊系统的动力特性,将碰撞载荷简化为不同形式的冲击载荷,基于三维浮体间接时域分析理论和逆傅里叶变换法计算碰撞载荷作用下防波堤的水动力,利用三成分复合锚链的准静态模型分析系泊系统的张力特性,利用龙格-库塔法求解碰撞载荷作用下防波堤与系泊系统的耦合动力。研究发现:当相等冲量、不同形式的冲击载荷冲击防波堤时,运动响应大致相同;防波堤上P_(1)~P_(7)受到冲击时的运动响应和系泊冲击张力大于C_(1)~C_(3)受到冲击时的运动响应和冲击张力;当以不同角度冲击防波堤重心时,正面冲击的影响最大;改变拖地长度能增强防波堤的抗冲击能力。研究成果可供后续抗冲击浮式防波堤研究参考。

弧墙-浮式防波堤水动力性能数值模拟

为提升浮式防波堤的消波性能,提出一种弧墙-浮式防波堤,基于不可压缩性流体理论和VOF方法,使用计算流体力学软件Star-ccm+建立二维数值模型,并验证数值模型的准确性。应用该数值模型对弧墙-浮式防波堤在不同水平宽度、相对高度及相对波高等条件下的水动力性能进行模拟研究,总结各参数对防波堤透射系数、反射系数及运动响应的影响规律,识别消波性能最优的防波堤结构参数。结果表明,透射系数随水平宽度的增大而增大,周期小于1.4 s时透射系数能稳定维持在0.6以下;反射系数在周期1.6 s或1.8 s时会有一定程度的减小;运动响应随水平宽度和相对高度的增大而增大。

聚焦波作用下浮式防波堤运动响应及波浪砰击研究

波浪砰击荷载分布及运动响应特征是浮式防波堤设计的关键因素,聚焦波由于波陡高、破坏力强,严重影响海洋结构安全。采用光滑粒子流体动力学方法,建立了能够模拟波浪-浮体相互作用的耦合模型,基于建立的耦合模型分析了聚焦波作用下浮式防波堤的运动响应及砰击荷载变化特征,对比论证了聚焦波作用下防波堤迎浪侧与背浪侧系泊缆受力差异。研究结果表明,波浪砰击荷载最大值出现在防波堤迎浪侧的最低点,聚焦波作用下浮式防波堤的纵荡呈现出非对称性特征,砰击荷载、系缆拉力在浮式防波堤迎浪侧与背浪侧存在较大差异。

两种型式的波能装置-浮式防波堤水动力性能比较研究

波能装置-浮式防波堤是将浮式防波堤与波能转换装置集成,兼具防波消浪和捕获波浪能的集成装置,能够有效降低单一功能波能转换装置的成本。研究者们提出了许多波能装置-浮式防波堤的结构型式,其中非对称式浮体结构相比于对称式浮体结构,在单向入射波的水动力性能方面拥有一定的优势。本文针对导桩锚泊的非对称式方箱-三角形挡浪板和方箱-垂直挡浪板两种浮体结构型式,通过数值模拟的方式,对比分析其水动力特性和波能俘获特性。数值模型基于黏性流体理论,以Navier-Stokes方程为控制方程,并采用VOF方法和浸没边界法求解自由面边界和流固耦合作用,探究不同入射波周期、水深和浮体排水条件下集成装置水动力性能(消波特性、能量耗散特性和波能俘获特性)变化趋势。结果表明,在近岸波浪条件下(5~8s),垂直挡板型式集成装置适用于较小周期波浪(5~6s),而三角挡板型式集成装置适用于较大周期波浪(6~7.5s)。随着水深增大,波能俘获比总体上呈现缓慢增长的趋势。在主浮体吃水相同的情况下(排水量不同),两种结构的透射系数基本一致;而在排水量相同(主浮体吃水不同)的情况下,垂直挡板结构型式的防波效果更好,三角挡板结构型式波能俘获性能要优于垂直挡板结构型式。

浅述浮式防波堤的结构与应用

浮式防波堤能适应水深大,基础软弱的特点、大潮差及引进水交换,提高港内水质的状况,越来越引起海内外的高度重视。随着科学技术的进步与发展,人们对其研究越来越深入,并取得了大量研究成果。浮式防波堤可以是永久性的,也可以是临时性的,它不仅可以用来保护深水港湾的码头区域,也可以用作船舶临时停靠港口,还可以用来保护水产养殖及海滨浴场海域,以及海洋工地等,甚至可以用来保护海洋军事机动港口区域,它不仅可以用作海洋防灾紧急防浪手段,而且在其他方面也有着广泛的应用价值。随着科学技术进步及社会经济发展,浮式防波墙已成为现代港口工程中重要组成部分之一。但是,制约浮式防波堤推广应用的因素是多方面的,如保护效果没有坐底式防波堤好、波浪周期越长,消浪作用越差、当波浪频率与固有频率相近时,结构响应较为灵敏、波浪中的动态响应可能引起结构疲劳损伤,同时巨大的锚泊力使得维修要求更高,而在极端风暴的情况下,结构的安全性很难得到保证。此外,由于浮式防波堤上安装设备复杂且造价昂贵,施工难度大。所以国内外的学者都在积极的进行浮式防波堤的研究,以期能够克服上述的问题,进而拓展它的使用领域。

板-网结构浮式防波堤消浪性能的试验研究

水深较大时,固定式防波堤不再适用,而相比之下,浮式防波堤具有轻便、机动、经济及良好的海水交换功能等特点。因此为保障深水养殖网箱在风浪中的安全,采用浮式防波堤进行掩护是唯一可行的工程措施。提出了一种新型的浮式防波堤结构型式——板-网浮式防波堤。通过实验室物理模型试验,研究波浪周期、平板宽度、网衣数目、平板刚度以及水流方向和速度对波浪透射系数的影响。试验采用规则波浪,水深为20m,波高为2.5m、4.5m和6.0m,周期为6s～10s。试验结果表明,采用该种浮式防波堤具有较好的消浪效果,但具体参数需根据当地波浪、水流条件而定。

浮式防波堤研究进展

浮式防波堤与其他传统防波堤相比,可适应水深较大、地基软弱、大潮差和引入水体交换等情况,在港口海岸工程、海洋工程以及海水养殖等诸多领域具有广阔应用前景。对国内外浮式防波堤的主要研究成果和进展进行了综述,从理论推导、经验公式和数值计算3个方面归纳和总结了浮式防波堤波浪透射系数的计算方法。介绍了浮式防波堤结构型式的研究进展,重点分析了浮箱式、浮筒式、浮筏式及其相应改进结构等不同型式浮式防波堤的消浪原理和消浪效果,分析比较了不同结构型式浮式防波堤的优缺点。最后介绍了浮式防波堤在国内外的工程应用,并分析了限制浮式防波堤应用的主要原因,指出了目前浮式防波堤研究方面的不足,以及推广应用浮式防波堤需要进一步研究的内容。

浮式防波堤非线性波浪力实验研究

对浮式防波堤在不同吃水深度、周期、波高和入射波波型情况,进行了波浪对浮式防波堤非线性作用力的研究,给出了有关实验结果。实验结果表明波浪力在周期较大时,随着波高的增加,出现一阶力减小、高阶力增大的强非线性现象。实验中出现了二阶力大于一阶力的现象,也出现了三阶力大于二阶力和一阶力的现象。