浮式防波堤在海域水沙分配中的應(yīng)用

浮式防波堤在海域水沙分配中的應(yīng)用

波在傳播過程中的能量分布不均，其中98%的波能夠分布在距離水面三倍的水深范圍內(nèi)。浮式防波堤的動(dòng)力響應(yīng)研究主要圍繞消浪、透浪性能展開。在理論研究方面，Bouwmeester和Van浮式防波堤運(yùn)動(dòng)過程受到波浪條件、浮堤結(jié)構(gòu)形式、系泊方式等多種因素影響，經(jīng)驗(yàn)公式難以準(zhǔn)確計(jì)算其水動(dòng)力特性，而物理模型試驗(yàn)操作復(fù)雜，成本較高。因此諸多學(xué)者提出不同數(shù)值算法對(duì)浮式防波堤水動(dòng)力特性進(jìn)行模擬。在波浪與浮式防波堤相互作用的數(shù)值模擬研究中，浮堤運(yùn)動(dòng)邊界的流固耦合處理方法及錨鏈模型的選取至關(guān)重要。其中浮堤運(yùn)動(dòng)邊界根據(jù)邊界條件處理方式的不同，主要分為動(dòng)網(wǎng)格變形、浸入邊界、重疊網(wǎng)格法等。動(dòng)網(wǎng)格方法適用于小幅度浮堤位移模擬，Ji等基于OpenFOAM中olaFlow求解器，采用基于sugger++1在波浪的作用下，浮式防波壩運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型1.1基本控制方程采用雷諾時(shí)均的Navier-Stokes方程(RANS方程)作為基本控制方程，其連續(xù)性方程及動(dòng)量方程分別為:式中:U為流體速度;p在求解RANS方程組時(shí)使用Menter1.2阻尼項(xiàng)求解利用OpenFOAM中olaFlow求解器建立數(shù)值波浪水槽，采用速度入口造波，出流邊界設(shè)置阻尼消波區(qū)，在該計(jì)算區(qū)域內(nèi)動(dòng)量方程在右端加入式(3)所示阻尼項(xiàng)求解式中:S波浪水槽底部邊界為無滑移邊界條件，頂部邊界為壓力邊界。入流邊界設(shè)置為主動(dòng)吸收式速度入口造波邊界，出流邊界為消波邊界1.3節(jié)點(diǎn)流場信息計(jì)算方程為合理捕捉浮堤的運(yùn)動(dòng)過程，將浮式防波堤作為剛體處理，并采用重疊網(wǎng)格法進(jìn)行模擬，如圖1所示。該方法由劃分固體的無變形貼體網(wǎng)格(虛線部分)、劃分流場的背景網(wǎng)格(實(shí)線部分)兩部分聯(lián)合求解完成，網(wǎng)格中插值節(jié)點(diǎn)流場信息計(jì)算方程:式中:φ重疊網(wǎng)格中的貼體網(wǎng)格與背景網(wǎng)格分別建立在兩套笛卡爾坐標(biāo)系下，通過域連接信息(domainconnectivityinformation，簡稱DCI)在背景網(wǎng)格與貼體網(wǎng)格間建立信息傳遞。計(jì)算時(shí)首先在貼體網(wǎng)格中尋找不參與計(jì)算的節(jié)點(diǎn)單元(洞單元，如圖1黑點(diǎn))，并分別在背景網(wǎng)格中尋找邊緣節(jié)點(diǎn)(與洞單元相鄰的計(jì)算節(jié)點(diǎn))，在貼體網(wǎng)格中尋找邊界節(jié)點(diǎn)(貼體網(wǎng)格中未被定義物理邊界條件的計(jì)算節(jié)點(diǎn));在邊界節(jié)點(diǎn)、邊緣節(jié)點(diǎn)尋找合適的插值貢獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)并利用其位置關(guān)系求解插值系數(shù);最后通過式(5)在兩套網(wǎng)格中交換流場數(shù)據(jù)，并根據(jù)上一時(shí)間步浮堤運(yùn)動(dòng)調(diào)整貼體網(wǎng)格區(qū)域，重新建立DCI連接。1.4錨鏈材料應(yīng)力—錨鏈求解模型對(duì)于錨鏈?zhǔn)芰τ?jì)算部分采用節(jié)點(diǎn)單元法求解受力，在六自由度求解中耦合Palm開發(fā)的MOODY模塊式中:γ錨鏈在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系較為復(fù)雜。在受到波浪力沖擊時(shí)錨鏈易產(chǎn)生較大張力，致使錨鏈單元應(yīng)力—應(yīng)變產(chǎn)生非線性關(guān)系。計(jì)算中假設(shè)錨鏈應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系遵循胡克定律式中:E為錨鏈材料楊氏模量;A式中:f附加質(zhì)量對(duì)錨鏈的動(dòng)力學(xué)影響可分為:流體加速度引起的慣性力f根據(jù)Morison方程式中:A浮力項(xiàng)的計(jì)算表達(dá)式為:式中:ρ錨鏈尾端固定，其中拖地段與地面的接觸力基于雙線性彈簧和阻尼器進(jìn)行計(jì)算，接觸力項(xiàng)計(jì)算表達(dá)式:式中:下標(biāo)xy和黏性拖拽力項(xiàng)根據(jù)Morison方程計(jì)算所得:式中:C錨鏈求解采用間斷有限元方法，對(duì)式(6)展開并在錨鏈域內(nèi)進(jìn)行空間離散。采用三階Runge-Kutta對(duì)離散后的式(6)進(jìn)行時(shí)間步遞進(jìn)，求出錨鏈單元節(jié)點(diǎn)的加速度、速度、位置信息，并更新單元節(jié)點(diǎn)張力。1.5網(wǎng)格剛體運(yùn)動(dòng)計(jì)算流程錨鏈力的求解通過修改OpenFOAM六自由度剛體運(yùn)動(dòng)求解順序，植入基于節(jié)點(diǎn)單元法的錨鏈求解模塊MOODY，并在六自由度計(jì)算過程中完成對(duì)錨鏈力的求解。植入MOODY模塊后重疊網(wǎng)格剛體運(yùn)動(dòng)計(jì)算具體流程:1)流場初始化，建立重疊網(wǎng)格域連接信息(DCI);2)根據(jù)DCI，進(jìn)行網(wǎng)格插值計(jì)算;3)依據(jù)全場流場信息，調(diào)用MOODY模塊求解錨鏈?zhǔn)芰Γ⑦M(jìn)行六自由度計(jì)算求解浮堤運(yùn)動(dòng)方程，對(duì)浮堤運(yùn)動(dòng)、錨鏈力耦合迭代求解，最后更新浮體周圍流場信息，更新浮堤、錨鏈信息;4)更新貼體網(wǎng)格信息;5)根據(jù)更新的網(wǎng)格、流場信息，重新建立DCI;6)根據(jù)邊界條件、上一時(shí)間步全場信息，PIMPLE迭代循環(huán)求解當(dāng)前間步全場流場信息;7)進(jìn)行新一輪迭代循環(huán)，直至殘差符合要求進(jìn)入新一時(shí)間步進(jìn)行循環(huán)求解，或達(dá)到計(jì)算時(shí)長停止計(jì)算。2數(shù)值模擬結(jié)果2.1數(shù)值模型驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算模型參照單方箱錨鏈?zhǔn)礁∈椒啦ǖ趟畡?dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)，物理模型試驗(yàn)布置及各項(xiàng)參數(shù)如圖3和表1所示，其余尺寸詳見侯勇物理模型試驗(yàn)設(shè)置8組算例對(duì)二維錨鏈系泊浮式防波堤動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值型進(jìn)行驗(yàn)證，算例設(shè)置如表2所示。首先對(duì)數(shù)值波浪水槽進(jìn)行空水槽造波校驗(yàn)。在未放置防波堤的數(shù)值波浪水槽中，提取預(yù)留浮式防波堤位置處(距速度入口邊界4倍波長處)波高歷時(shí)變化作為對(duì)比，計(jì)算時(shí)長為30倍波周期，圖5以第二組波況為例顯示了模擬結(jié)果與二階Stokes波理論波面。由圖5可知，波高變化在第20T以后漸趨穩(wěn)定。表2列出了第20T～30T時(shí)刻波高均值與理論波高的對(duì)比情況，模擬結(jié)果與理論誤差不大于2%，可以認(rèn)為浮堤附近波高值達(dá)到算例設(shè)置波高值。數(shù)值計(jì)算采用6塊IntelXeonE78870v3處理器，每塊處理器擁有18個(gè)核心，每組算例計(jì)算時(shí)長為10.23小時(shí)，CPU時(shí)長為10.21小時(shí)。8組對(duì)比算例中，選取相對(duì)寬度W/L、波高h(yuǎn)，作為模擬工況的控制變量。選取各組第20T～30T周期浮堤透射系數(shù)(C2.2浮堤網(wǎng)格強(qiáng)度復(fù)核在背景網(wǎng)格固定情況下，對(duì)組Ⅱ算例選取5種不同加密方式對(duì)貼體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，其中貼體網(wǎng)格最外層網(wǎng)格大小均為0.04m×0.04m，每級(jí)加密都對(duì)上一級(jí)加密中最靠近浮堤的四層網(wǎng)格尺寸進(jìn)行減半。選取第20T～30T時(shí)刻垂蕩、縱蕩、縱搖峰值平均作為對(duì)比。從表3可以看出，當(dāng)對(duì)貼體網(wǎng)格進(jìn)行2級(jí)漸變加密時(shí)(圖6)，浮堤縱蕩、垂蕩、縱搖均值計(jì)算結(jié)果與3、4級(jí)加密計(jì)算結(jié)果相差較近達(dá)到收斂，且計(jì)算耗時(shí)較短。因此選用2級(jí)加密方案(圖6)對(duì)貼體網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。2.3浮式防波壩的透射系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別提取圖3中四個(gè)測(cè)點(diǎn)水面高度數(shù)據(jù)，并采用Goda兩點(diǎn)法2.4浮式防波堤運(yùn)動(dòng)幅值數(shù)值模擬試驗(yàn)中浮堤運(yùn)動(dòng)共三個(gè)自由度，分別為縱蕩、垂蕩和縱搖。圖8以組Ⅱ?yàn)槔@示了縱蕩、垂蕩和縱搖模擬計(jì)算結(jié)果。取第20T～30T周期浮塊運(yùn)動(dòng)幅值平均值，并對(duì)三個(gè)自由度的振幅分別做無因次化處理，其運(yùn)動(dòng)特性通過響應(yīng)振幅算子RAO加以描述:式中:縱蕩、垂蕩和縱搖響應(yīng)振幅算子RAO中的響應(yīng)幅值分別取浮堤20T～30T時(shí)刻縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)幅值均值，相應(yīng)的響應(yīng)算子單位分別為cm/cm,cm/cm，°/cm。圖9顯示了組Ⅱ第28T各時(shí)刻浮堤運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。當(dāng)波谷到達(dá)浮堤位置(t=0T)，浮堤垂蕩達(dá)到谷值。隨波浪傳播垂蕩、縱搖逐漸恢復(fù)至平衡位置，隨后縱蕩達(dá)到谷值，縱搖達(dá)到峰值(t=5/20T)。當(dāng)波峰到達(dá)浮堤位置(t=10/20T)，浮堤縱蕩、垂蕩均達(dá)到峰值，縱搖接近平衡位置。波浪在浮堤迎浪側(cè)形成反射造成浮堤縱搖出現(xiàn)次峰。隨后浮堤垂蕩再次回歸平衡位置，縱搖到達(dá)谷值(t=15/20T)。當(dāng)浮堤垂蕩再次經(jīng)過平衡位置(t=15/20T)，縱搖逐漸回歸平衡位置，垂蕩逐漸到達(dá)谷值(t=20/20T)。由圖8可知浮堤的縱蕩和垂蕩基本與波面同相位，縱搖與波面相位相差約T/4。圖10顯示了不同工況下浮堤運(yùn)動(dòng)響應(yīng)振幅算子與侯勇試驗(yàn)值的對(duì)比情況，兩者偏差最大者為組Ⅶ垂蕩響應(yīng)振幅算子，為10.44%;組Ⅳ縱蕩響應(yīng)振幅算子模擬與試驗(yàn)值偏差最小，為0.6%?？傮w而言，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。2.5浮堤試驗(yàn)結(jié)果分析模擬結(jié)果取錨鏈-浮堤連接端節(jié)點(diǎn)張力值作與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖11為組Ⅱ錨鏈張力變化歷時(shí)曲線。浮體動(dòng)力響應(yīng)呈穩(wěn)定周期性變化后(20T)，迎浪側(cè)錨鏈張力(F圖12為浮堤錨固處錨鏈張力振幅算子與試驗(yàn)值對(duì)比(侯勇試驗(yàn)值無組Ⅳ，Ⅶ，Ⅷ)，誤差最大為21.8%(組Ⅰ背浪側(cè))，最小為2.8%(組Ⅱ迎浪測(cè))。錨鏈背浪側(cè)張力模擬和試驗(yàn)值的偏差相對(duì)較大，其原因可能與浮堤運(yùn)動(dòng)響應(yīng)過程中背浪側(cè)錨鏈松弛時(shí)間更長(圖9)，拖地段錨鏈與海床的接觸力模擬誤差較大，且錨鏈在張緊瞬時(shí)受沖擊峰值存在一定震蕩現(xiàn)象相關(guān)。模擬中當(dāng)錨鏈拖地段運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到0.1m/s時(shí)到達(dá)靜摩擦最大值并近似認(rèn)為進(jìn)入滑動(dòng)摩擦階段，滑動(dòng)摩擦力不變。實(shí)際錨鏈運(yùn)動(dòng)時(shí)拖地段地面接觸力變化比模擬設(shè)置條件更加復(fù)雜。此外，模擬中對(duì)于錨鏈的應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)模型采用了線性化假設(shè)，在錨鏈承受劇烈沖擊荷載時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與實(shí)際情況存在一定偏差。3數(shù)值模擬結(jié)果分析基于OpenFOAM中olaFlow求解器，利用重疊網(wǎng)格在計(jì)算過程中適應(yīng)剛體大幅運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，采用重疊網(wǎng)格方法模擬浮堤動(dòng)力響應(yīng)，并在剛體運(yùn)動(dòng)求解過程中植入笛卡爾坐標(biāo)系下MOODY錨鏈求解模塊進(jìn)行耦合求解，建立錨鏈系泊浮式防波堤動(dòng)力響應(yīng)的二維數(shù)值模型。浮式防波堤錨鏈尾端在海床中固定，因此在數(shù)值模擬中可簡化成MOODY錨鏈模型進(jìn)行錨鏈張力的求解計(jì)算。數(shù)值模型通過侯勇物理模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，并分別驗(yàn)證透射系數(shù)、浮堤運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、錨鏈張力峰值模擬結(jié)果。在透射系數(shù)對(duì)比中，由于數(shù)值波浪水槽在y方向?qū)W(wǎng)格進(jìn)行了拉伸處理，相比物模試驗(yàn)不存在入射波從浮堤兩側(cè)透過的情況，因此透射系數(shù)模擬值整體偏小(誤差為1.2%～10.72%);在浮堤運(yùn)動(dòng)響應(yīng)方面，垂蕩、縱蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模擬誤差在0.6%～10.44%;由于錨鏈拖地段與海床接觸力基于雙線性彈簧和阻尼器進(jìn)行求解