岛礁地形下新型浮式防波堤系统固有周期对消浪性能作用机制及堤后波浪演变规律研究

To speed up the development and utilization of island resources in the South China Sea is one of the most effective ways to safeguarding the interests and rights. Floating breakwaters can offer an alternative to the island construction. In order to protect these structures from the violent environmental conditions, the studies on the floating breakwaters is becoming very critical. The floating breakwaters with net cage are supposed to be the most effective and low-cost type. Based on the framework established by the previous research, the numerical simulation and experiment test will be conducted, in order to investigate the hydrodynamic responses of the floating breakwater. The one aim of the present project is to clear the relationship among floating breakwater natural period, transmission coefficient and incident wave period. The other purpose of the present project is to predict the propagation of the waves along the breakwaters, in order to optimize the performance of floating breakwater and provide technical support for the development of the floating islets. This project aims to reveal the evolution mechanism of transmission coefficient and nature feature of floating breakwater, increase human's understanding of transmission coefficient, increase performance of floating breakwater and solve the problems of engineering design, which has theoretical significances and engineering application values.

加快南海岛礁资源开发和利用是维护我国南海海洋权益的有力手段之一。浮式防波堤作为保障岛礁建设和开发过程中所需的掩护设施日益受到各方瞩目。然而，浮式防波堤透射系数与固有周期相互作用机理以及堤后有效掩护区域等问题尚未解决。本项目在先期取得的设计和研究成果基础上，对双浮体网箱桁架式浮式防波堤根据横向连接刚度建立多体防波堤-系泊系统组成的耦合运动方程；分析岛礁地形下浮式防波堤系统的整体水动力性能和堤后波浪的传播规律；通过物理模型试验检验所发展的耦合分析方法的正确性和防波堤自身运动特性对透射系数的影响。本项目旨在明确岛礁地形下浮式防波堤自身运动特性对透射系数影响机制和堤后波高变化规律，特别是透射系数随波周期变化曲线中峰值点出现原因，通过修订透射系数曲线峰值点进而提升浮式防波堤消波性能，具有重要的理论意义和工程应用价值。

1.项目背景. 浮式防波堤作为一种近海常见的浮式结构物，相比固定式防波堤具有如下优点：（1）有很强的水体交换能力，可防止浮式防波堤掩护水域发生水质污染。（2）工程造价比固定式防波堤经济，浮式防波堤能较好的适应水深变化，造价不会随着水深增加而急剧增加，因此适合布置在一定水深的海岸或者近海海域。（3）适用多种地质条件。（4）浮式防波堤建造周期短，速度快，安装和拆卸方便，相比固定式防波堤，浮式防波堤后期维修方便，费用低。. 虽然浮式防波堤具备上述优点，但为了进一步的提升浮式防波堤单位堤宽内的消浪性能，降低工程造价，有必要进一步的分析和研发，进而进一步的解决和完善现有浮式防波堤研究方面存在的问题和不足之处。因此，基于上述原因，针对方箱型浮式防波堤构型、双浮体网箱型浮式防波堤构型开展了物理试验、数值研究，，依据数值分析方法，物理模型试验为辅的方式，分析了两种浮式防波堤构型的透射系数、消浪性能、运动响应、系泊锚链张力等，并且分析了浮式防波堤的整体水动力性能和堤后波浪的分布规律。.2.主要研究内容.1)开展了浮式防波堤模型的物理模型试验，分析了方箱型、开孔方箱型、双浮体网箱（网笼型）等构型的运动响应、锚链张力、消浪性能等；.2)基于势流理论建立了时域三维浮式防波堤水动力性能数值模型，分析了浮式防波堤相关水动力性能，分析了岛礁地形下浮式防波堤水动力性能；.3)基于粘性流理论，利用CFD数值计算方法，建立了考虑粘性效应的二维、三维浮式防波堤水动力性能模型，分析了浮式防波堤消浪性能，堤后波面变化规律；.4)基于上述模型分析了岛礁地形下浮式自身运动特性对消浪性能的影响。.3.重要结果及关键数据.1)双浮体-网笼型浮式防波堤在消浪性能、运动响应以及锚链张力等方面相比方箱型构型具备优势，并且由于其自身结构特点在同等宽度下相比方箱型具备更好的经济性；.2)针对方箱型防波堤开孔后试验结果表明，开孔设计在提高消浪性能方面试验效果并不令人满意，但它是一种有意义和有趣的尝试。多孔板的设计确实可以减小浮式防波堤的运动响应，降低了占浮式防波堤系统总造价很大一部分的系泊线张力。.4.科学意义.1)首次分析了浮式防波堤采用开孔设计的优缺点；.2)建立了考虑粘性效应的三维浮式防波堤水动力模型，分析了堤后波浪分布；.成果：项目获得授权发明专利1项，实审5项，发表论文14篇，SCI 论文11篇。