含翼板浮式防波堤消浪性能分析.pdf
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1、第 卷第期 年月动 力 学 与 控 制 学 报J OUR NA LO FD YNAM I C SAN DC ON T R O LV o l N o J u n 文章编号:()D O I:/收到第稿,收到修改稿国家自然科学基金资助项目(,),N a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a(,)通信作者E m a i l:h o n g b o z h u s j t u e d u c n含翼板浮式防波堤消浪性能分析赵峰陈城朱宏博 包艳韩兆龙陈新权(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海 )摘要
2、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S t a r C CM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
3、防波堤设计中具有巨大潜力关键词浮式防波堤,消浪性能,计算流体力学,体积分数方法中图分类号:P 文献标志码:AW a v eA t t e n u a t i o nP e r f o r m a n c eo fF l o a t i n gB r e a k w a t e rw i t hW i n gB a f f l e sZ h a oF e n gC h e nC h e n gZ h uH o n g b o B a oY a nH a nZ h a o l o n gC h e nX i n q u a n(S c h o o l o fN a v a lA r c h i t
4、 e c t u r e,O c e a na n dC i v i lE n g i n e e r i n g,S h a n g h a i J i a oT o n gU n i v e r s i t y,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t I nt h i sp a p e r,t h e f l o a t i n gb r e a k w a t e rs t r u c t u r e i ss i m p l i f i e dt oar i g i db o d ym o t i o nw i t ht w od e g
5、r e e so f f r e e d o m,a t w o d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l f l u m e i se s t a b l i s h e du s i n gt h ec o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c ss o f t w a r eS t a r C CMb a s e do n t h e t h e o r yo f v i s c o u s i n c o m p r e s s i b l e f l u i d,t h e f r e e s u
6、 r f a c e i s c a p t u r e db yt h ev o l u m e f r a c t i o nm e t h o d,t h eo v e r s e tm e s h t e c h n i q u e a n d t h e f i n i t ev o l u m em e t h o da r eu s e d An e wp r o p o s e db o x t y p e f l o a t i n gb r e a k w a t e rw i t hw i n gb a f f l e s a n da t r a d i t i o n
7、 a l b o x t y p e f l o a t i n gb r e a k w a t e rw i t h o u tw i n gb a f f l e s a r e s i m u l a t e dn u m e r i c a l l y,a n d t h ew a v e a t t e n u a t i o np e r f o r m a n c e,m o t i o n r e s p o n s ea n df l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so f t h e t w o t y p e so f
8、f l o a t i n gb r e a k w a t e r s a r e c o m p a r e da n da n a l y z e d T h er e s u l t ss h o wt h a t:w i n gb a f f l e sc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h em o t i o nr e s p o n s eo f f l o a t i n gb r e a k w a t e r;t h ea s y mm e t r yo f t h em o t i o nr e s p o n s eo f t
9、 h e f l o a t i n gb r e a k w a t e rw i t ha n dw i t h o u tw i n gb a f f l e s i s c a u s e db yt w op a i r so f v o r t i c e sw i t hd i f f e r e n t s t r e n g t h sa n de v o l u t i o n a r y f o r m su n d e r w a t e r;t h ea d d i t i o n a lw i n gb a f f l e sc a ni n d u c es t
10、r o n g e rv o r t e x e su n d e r w a t e r,t h u sa b s o r b i n gm o r ew a v ee n e r g y,w h i c hc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ew a v ea t t e n u a t i o np e r f o r m a n c eo ft h eb o x t y p ef l o a t i n gb r e a k w a t e r;t h ea d d i t i o n a lw i n gb a f f l e
11、 sh a v eag r e a tp o t e n t i a l i nt h ed e s i g no fh i g hp e r f o r m a n c e f l o a t i n gb r e a k w a t e r s K e yw o r d sf l o a t i n gb r e a k w a t e r,w a v ea t t e n u a t i o np e r f o r m a n c e,c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s,v o l u m e f r a c t i o
12、nm e t h o d动力学与控制学报 年第 卷引言大型港湾码头的水文气象条件复杂,海浪冲蚀岸线,船舶摇晃明显,妨碍船舶的安全停泊和装卸作业,但为了避免妨碍船舶航行,有些开放水域不能建设传统固定式防波堤因此,要采取新的方法来抵御海浪对港域的侵袭,维持港内水域平稳,保证船舶在港内安全停泊和作业浮式防波堤具有机动灵活、造价较低、适应性强、对海域影响小以及施工运输方便等优点,在有需求的水域能够代替传统固定式防波堤近年来,诸多学者对各类浮式防波堤的消浪性能进行了大量的实验研究 和数值模拟 M a t s u n a g a等 设计了方箱桁架结构浮式防波堤,通过系统的试验给出了计算此种结构透射系数的经
13、验公式邹志利等 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下开展了波浪非线性作用力的研究,试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 G e s r a h a 在传统的矩形箱式防波堤的基础上向下增加了两块挡板以提升其消浪能力陈智杰等 在线性化势流理论范围内求解了方箱水平板浮式防波堤的波浪绕射和辐射问题,从时域角度分析了浮式防波堤的水动力特性严建国等 采用特征函数法对矩形浮箱式消浪结构的消浪性能进行相关数值分析,分析了浮体与波浪相互作用时波浪的绕射、辐射的一系列情况,并通过分析浮式防波堤的水动力特性来确定了其消浪性能 W i l l i
14、 a m s等 利用边界积分方程并结合适当的格林函数方法计算了具有矩形截面的双浮箱结构水动力特性,结果表明波浪的反射性能取决于消浪设施的宽度、吃水、两箱间距及系泊系统刚度黄衍顺等 以遗传算法为优化手段,以透射系数为目标函数,对给定横剖面面积的浮式防波堤在规则波作用下的消波性能及剖面形状进行了最优化计算研究以往对浮式防波堤的数值模拟研究大部分都是基于势流理论,忽略了流体的黏性,而张恒铭等 和H u等 的研究表明,流体的黏性会对浮式防波堤的运动响应、频域响应和周围流场产生显著影响,进而影响浮式防波堤的消波性能本文基于黏性 不 可 压 缩 流 体 理 论,采 用 计 算 流 体 力 学(C F D)
15、方法,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与对比分析本文的主要框架如下:首先分别介绍流体和结构的控制方程以及数值求解方法;然后,对含翼板和不含翼板的浮式防波堤的消浪性能、受力情况和运动响应进行对比分析;最后,通过分析浮式防波堤附近的流场演化情况,讨论翼板对消浪性能的影响模型与方法所提出的含翼板浮式防波堤如图所示,其截面形状共由五个参数确定,首先是箱体的宽度和吃水,决定浮式防波堤的主体箱体的大小,其次是翼板的宽度、长度和角度,决定附体翼板的形状大小本文先基于势流理论,采用多目标遗传算法对防波堤截面形式进行优化,得到的最优参数为:宽度 m,高度 m,吃水
16、 m,翼长 m,翼角 ,翼宽 m本文采用此组最优参数进行进一步的数值模拟和分析不含翼板浮式防波堤即为含翼板浮式防波堤的箱型主体图含翼板浮式防波堤F i g F l o a t i n gb r e a k w a t e rw i t hw i n gb a f f l e s不带翼板的和带翼板的箱型防波堤的计算模型如图所示,其中虚线矩形为含翼板浮式防波堤的箱型主体,也即不含翼板浮式防波堤的结构模型坐标原点位于防波堤箱型主体左下方的顶点处,x轴的方向为顺流向,y轴的方向为横流向,也是重力作用的方向此两相流的流体域包括位于上方的空气域和位于下方的水域,而水域又分为三个部分,分别是造波区、工作区和
17、消波区,如图所示,其中W是防波堤箱型主体的高度,是入射波的波长空气域的高度距自由液面上方W,水域的高度距自由液面下方W,造波区和消波区的长度均为两倍波长,工作区的范围为距防波堤箱型主体第期赵峰等:含翼板浮式防波堤消浪性能分析前后缘三倍的波长在造波区施加波力以抑制入口边界处表面波的反射对入射波的影响,在消波区施加波阻尼以避免波浪在出口边界的反射左边界和上下边界均为满足入射波要求的速度入口,右边界为压力出口边界条件图计算域F i g C o m p u t a t i o n a l d o m a i n防波堤在波浪下的运动响应是一个高非线性的流固耦合问题其中涉及的两相流体,即空气和水,均由连续
18、性方程和雷诺平均的不可压缩纳维斯托克斯方程控制:U()()U()t UU()pr g hg U()U U()式中,U是速度,pr g h是减去静水压力的压力,是流体的运动黏度,是流体的密度,g是重力加速度,顶线代表一个变量的平均部分,上标撇代表一个变量的脉动部分雷诺应力项U U 由B o u s s i n e s q假设线性化为:U U t U(U)Tk I()式中,t是湍流涡黏度,k是湍动能,I是单位张量本文采用S S Tk湍流模型来求解湍流涡黏度,湍动能k和指定湍流耗散率可通过求解相应的输运方程得到,湍流涡黏度可由下式计算:takm a xa,bFS()()式中,a,b为模型系数,F为混
19、合函数,S为应变率张量的模量本文采用体积分数法(VO F)来捕捉自由液面当一个计算单元的体积分数时,意味着这个单元内充满了液体;当时,意味着这个单元内充满了气体;而当时,意味着该单元位于气液交界面处自由液面的位置即为 的等高线处气液交界面处计算单元的流体密度和动力黏度为关于体积分数的加权平均值:w()aw()a()式中,为流体的动力黏度,下标w意味着流体为水,下表a意味着流体为空气体积分数可通过求解如下方程得到:t U()Uc()()式中,Uc为在交界面法向的人工界面压缩速度为简化模型,本文防波堤的运动只考虑在y方向的平动和绕z轴转动结构的运动方程为:mdvdtfMddtM n()式中,m为结
20、构质量,f为作用于结构的合力,v为质心的速度,M为惯性矩张量,为刚体的角速度,n为作用于结构的合力矩本文的瞬时数值模拟将结构简化为两自由度的刚体运动,用雷诺平均的方法处理两相不可压缩流动,采用标准壁面函数,用VO F方法捕捉自由液面,采用重叠网格技术和有限体积法,使用C F D软件S t a r C CM进行求解空间和时间离散均采用二阶格式,时间步长为 s,不含翼板浮式防波堤模拟总时长为 s,含翼板浮式防波堤模拟总时长为 s 算例分析计算网格由于浮式防波堤在波浪作用下有较大的运动响应,对于具有相对运动的复杂结构采用重叠网格非常便利、高效本文采用的重叠网格划分如图所示,重叠网格和背景网格均采用切
21、割体网格重叠网格的基础网格尺寸为 m,近壁面区域进行了边界层网格划分,壁面第一层网格高度为 m,这样计算得到的无量纲壁面距离为y,满足壁面函数对近壁面网格的要动力学与控制学报 年第 卷求,重叠网格区域的网格总量为 (不含翼板)和 (含翼板)背景网格的基础网格尺寸为 m,对多个区域核心流域进行了局部加密,重叠网格区域附近的网格尺寸加密为和重叠网格一致,在防波堤运动区域附近的网格尺度根据与防波堤的距离远近加密到 m,波浪传播的垂直方向的网格尺度为 m,波浪传播的平行方向的网格尺 度 为 m,背 景 网 格 区 域 的 网 格 总 量 为 (不含翼板)和 (含翼板)图含翼板浮式防波堤网格划分F i
22、g M e s ho f f l o a t i n gb r e a k w a t e rw i t hw i n gb a f f l e s造波与消波此次计算采用的入射波为斯托克斯五阶波,波高 m,水深 m,指定波周期(T)为 s,在此设置下波长()约为 m图造波区与消波区的波高F i g W a v eh e i g h t i nw a v eg e n e r a t i o na n dr e l a x a t i o nz o n e s图给出了造波区与消波区的波高(H),并且绘制了指定波浪的理论波形 作为对比从图中可以看出,造波区的波浪都维持了稳定的波形并且与理论波形非常
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