经济高效型浮式防波堤设计及性能分析

摘要

防波堤是一种重要的近海防护工程结构物，具有抵御波浪的作用，可保护防护水域内船舶和其他海洋结构物的安全。传统防波堤为坐底式防波堤，消波性能优异，但其工程造价随水深的增加而急剧增大，且对地基要求较高，易导致海底淤泥堆积。与坐底式防波堤相比，浮式防波堤拓宽了防波堤的应用范围，具有工程造价低、建造简单、布置便捷、允许水质交换等优点，已受到越来越多学者和研究人员的关注。因此，新型浮式防波堤的开发和研究是十分必要的。 本文针对海上施工掩护，设计了造价低廉、可快速拆装和重复使用的经济高效型浮式防波堤并对其水动力性能和消波性能进行了数值研究。本文的主要研究内容包括： 1.在现有浮式防波堤构型设计基础上，针对海上施工掩护防浪消波技术需求，设计了三种不同构型的经济高效型浮式防波堤，分别为箱式、圆角箱式和椭圆式，并根据设计海况、消浪指标、工程造价和安装效率等设计要素，确定了主尺度参数。 2.基于粘性流体理论，采用STAR-CCM+建立二维数值波浪水槽，对规则波进行数值模拟并将波浪计算值与理论值进行对比，验证了数值波浪水槽的正确性。在此基础上，建立箱型浮式防波堤的二维数值模型，计算得到箱型浮式防波堤的透射系数和横荡、垂荡、横摇RAOs，并将数值结果与试验结果进行对比，验证了浮式防波堤数值计算方法的正确性。 3.基于数值波浪水槽和浮式防波堤数值计算方法的研究及验证，对三种不同构型的经济高效型浮式防波堤水动力性能和消波性能开展研究，分析了入射波高和波长的变化对三种不同构型的经济高效型浮式防波堤运动响应和透射系数的影响，同时以箱式经济高效型浮式防波堤为例，观察了浮式防波堤周边自由液面的变化情况，并分析了其消波机理。 4.基于现有浮式防波堤现场安装技术，结合经济高效型浮式防波堤设计特点，针对吊装、定位、抛锚以及单体安装顺序和系泊缆安装顺序等多个关键技术问题，提出了一套快速、安全、高效的经济高效型浮式防波堤现场安装技术方案。 结果表明，本文所提出的数值计算方法能够精确地模拟浮式防波堤的水动力性能和消波性能。箱式经济高效型浮式防波堤的消波性能优于圆角箱式和椭圆式经济高效型浮式防波堤，并满足经济高效型浮式防波堤消浪指标。因此，本文确定箱式为经济高效型浮式防波堤的最终构型。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 研究目的和意义

1.3 浮式防波堤国内外研究现状

1.3.1 箱型浮式防波堤

1.3.2 浮筒型浮式防波堤

1.3.3 桁架型浮式防波堤

1.3.4 沉垫型浮式防波堤

1.3.5 浮子型浮式防波堤

1.3.6 水平板型浮式防波堤

1.3.7 新型浮式防波堤

1.4 本文研究的主要内容及创新点

第2章 浮式防波堤水动力基础理论

2.1 引言

2.2 计算流体力学理论

2.2.1 控制方程

2.2.2 边界条件

2.2.3 初始条件

2.2.4 自由液面追踪法

2.2.5 阻尼消波区

2.2.6 数值离散方法

2.2.7 网格生成

2.3 数据处理方法

2.3.1 数据符号说明

2.3.2 透射系数处理方法

2.3.3 运动响应处理方法

2.3.4 误差计算方法

2.4 本章小结

第3章 经济高效型浮式防波堤设计方案研究

3.1 引言

3.2 设计要素

3.2.1 设计海况

3.2.2 消浪指标

3.2.3 工程造价

3.2.4 安装效率

3.3 经济高效型浮式防波堤主尺度设计

3.3.1 经济高效型浮式防波堤宽度设计

3.3.2 经济高效型浮式防波堤长度设计

3.3.3 经济高效型浮式防波堤高度设计

3.4 经济高效型浮式防波堤构型设计

3.4.1 箱式经济高效型浮式防波堤构型设计

3.4.2 圆角箱式经济高效型浮式防波堤构型设计

3.4.3 椭圆式经济高效型浮式防波堤构型设计

3.5 经济高效型浮式防波堤模块连接结构设计

3.6 经济高效型浮式防波堤系泊系统设计

3.7 经济高效型浮式防波堤优点

3.8 本章小结

第4章 浮式防波堤数值计算方法研究及验证

4.1 引言

4.2 数值波浪水槽

4.2.1 数值波浪水槽模型

4.2.2 网格收敛性分析

4.2.3 时间步收敛性分析

4.2.4 波浪计算值与理论值对比

4.3 浮式防波堤数值计算方法

4.3.1 模型试验介绍

4.3.2 浮式防波堤数值模型

4.3.3 网格收敛性分析

4.3.4 时间步收敛性分析

4.3.5 数值结果与试验结果对比

4.4 本章小结

第5章 经济高效型浮式防波堤水动力性能及消波性能分析

5.1 引言

5.2 数值工况

5.3 三种不同构型经济高效型浮式防波堤数值模型

5.4 三种不同构型经济高效型浮式防波堤运动响应对比分析

5.4.1 入射波高变化对三种不同构型经济高效型浮式防波堤运动响应的影响

5.4.2 波长变化对三种不同构型经济高效型浮式防波堤运动响应的影响

5.5 三种不同构型经济高效型浮式防波堤透射系数对比分析

5.5.1 入射波高变化对三种不同构型经济高效型浮式防波堤透射系数的影响

5.5.2 波长变化对三种不同构型经济高效型浮式防波堤透射系数的影响

5.6 经济高效型浮式防波堤周边自由液面变化情况分析

5.7 本章小结

第6章 经济高效型浮式防波堤现场安装技术研究

6.1 引言

6.2 现场安装技术流程

6.3 现场安装具体步骤

6.3.1 防波堤运输至指定水域

6.3.2 吊装下水

6.3.3 拖船定位

6.3.4 充气注水

6.3.5 最中间单体预抛锚并进行初步系泊定位

6.3.6 连接结构安装

6.3.7 旁侧单体预抛锚并进行初步系泊定位

6.3.8 系泊系统调整

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 本文研究内容总结

7.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢