《Ocean Engineering》：Experimental study and analysis of flow field characteristics of floating breakwaters with different cross-sectional shapes
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浮式防波堤结构形状及底角对波浪衰减与系留力影响研究。通过物理模型试验和数值模拟，对比分析矩形、梯形和三角形浮式防波堤的波浪衰减效率与动态响应特性，揭示底角设计对能量耗散和系留力增长的关键调控作用，确定45°梯形结构最优。
孙斌|王建宇|狄丹阳|何春阳|王菲菲
郑州大学水利与交通学院，中国郑州，450001
摘要
作为海洋工程中至关重要的防护设施，浮动防波堤是减轻海洋环境风险和确保工程结构安全的重要技术手段。鉴于浮动防波堤的形状对其能量消散效果有显著影响，本研究系统地探讨了矩形、梯形和三角形浮动防波堤的波浪衰减效率和动态响应特性。研究中通过设计六种不同底角的梯形浮动防波堤模型，结合物理波浪水槽实验和数值模拟方法，分析了这六种模型的波浪衰减性能和动态响应特性。研究结果表明，在波高、吃水深度和周期条件不变的情况下，45°梯形浮动防波堤由于其更平缓的坡度，能够更有效地抑制系泊力的增长，从而延长浮动结构的使用寿命。此外，通过精确调整倾斜角度，可以在各种运行条件下优化防波堤的波浪衰减性能。
引言
过去十年间，技术进步极大地推动了海洋各领域的活动，对全球经济、社会结构和环境产生了深远影响（Riboldi等人（2019年）；Glasson等人（2022年））。在这种背景下，人们对海洋活动中的可持续性和环境保护问题的关注日益增加（Panjwani等人（2024年））。极端波浪条件对潮汐能和波浪能以及所有类型海洋结构的安全性和稳定性构成了严重挑战（Xu等人（2019年）；Zheng等人（2021年）；Leng等人（2024年））。作为重要的海岸防护创新结构，浮动防波堤因其相对较低的投资成本、环保性能以及对深水和恶劣地质条件的良好适应性而受到广泛关注（Zheng等人（2021年）；Siegel（2020年）；Guo等人（2022年）；Mohapatra等人（2020年））。然而，在复杂海况下的安全性和耐久性问题仍限制了其广泛应用（Diamantoulaki等人（2013年）。因此，深入探索合理的浮动防波堤结构设计，以实现高效的波浪消散性能与卓越的安全性，具有重要的学术和实践价值。
过去几十年里，许多学者对浮动防波堤的波浪衰减性能进行了广泛研究，取得了丰富的理论成果。为了更深入地了解箱形浮动防波堤的透射系数，Zheng等人（2004年）提出了一种分析方法，用于分析无限水深条件下矩形浮标周围的波浪辐射和衍射现象。利用变量分离技术，成功推导出了辐射和衍射势的解析表达式。在此基础上，研究了多种矩形浮动防波堤的辐射和衍射模式，并讨论了各种参数对流体动力特性的影响（Zheng和Zhang（2015年）以及Zhang等人（2023年））。Guo等人（2020年）提出了一种新型柔性多孔膜——碎石堆复合防波堤。他们建立了这种复合防波堤的半解析模型，比较了复合防波堤与单一多孔膜和单一碎石堆的性能差异，并分析了关键设计参数对复合防波堤性能的影响，为工程设计提供了依据。然而，在实际应用中，衍射现象也会显著影响浮动防波堤的能量消散。Elchahal等人（2009年）采用数值方法研究了浅水条件下具有背风垂直墙的矩形浮动防波堤的衍射-辐射问题。该研究系统分析了结构参数对波浪衰减能力和运动响应的影响，证实了部分反射侧壁在港口选址中的有效性。Mohapatra等人（2024年）和Williams等人（2000年）也深入研究了结构参数对透射系数和反射系数的影响。他们的研究表明，较宽的结构有利于降低透射系数，而反射系数与吃水深度呈正相关。为了提高矩形截面浮动防波堤的波浪衰减性能，科学家们开始关注系泊系统。研究了固定系泊和系泊系统，并考虑了不同的系泊方法，如交叉系泊、八字形系泊、垂直系泊等（Al-Sairafi等人（2024年）；Cheng等人（2023年）；Guo等人（2022年）。在固定系统中，浮动防波堤不会产生辐射波，并表现出相对简单的流体动力特性（Black等人（1971年））。Esmaeel Masoudi等人（2021年）使用数值面板方法研究了两侧各增加一个支腿的二维矩形浮动防波堤的波浪衰减性能。通过参数研究，确定了最佳参数组合。此前，Huang等人（2014年）开发了一种位于矩形浮动防波堤下方的刚性开槽结构，发现加入这种波浪消散组件显著降低了透射系数，同时没有增加涌浪和纵荡运动响应。随后，Huang等人（2023年）进一步研究了开槽结构的相关参数设置，以获得最佳的波浪消除性能。最近，Huang等人（2024年）在矩形浮动防波堤的下部用柔性帘幕替换了刚性开槽结构。与之前的设计相比，这一改变增强了波浪能量消散并减少了不必要的系泊力。同时，学者们还对浮动防波堤结构本身的波浪衰减特性和动态响应进行了广泛研究。Ji等人（2023）设计了一种具有开口和空心中心的翼形结构，通过中心开口产生的水射流增强了波浪衰减性能。此外，还有研究探讨了由数十个模块组成的柱状结构、水平多柱防波堤和圆柱形结构（Cui等人（2021年）；Wu等人（2024年）；Zang等人（2024年））。浮动防波堤的波浪衰减特性和动态行为受多种因素影响。除了系泊系统参数和浮动结构的吃水深度等关键因素外，底角也是一个不可忽视的重要变量。它对防波堤与波浪的相互作用机制以及防波堤自身的动态响应模式具有显著调节作用。因此，进一步研究底角对浮动防波堤的影响至关重要。
关于梯形截面对浮动防波堤波浪衰减性能的影响，许多学者进行了相关研究。Mani（1991年）设计了一种由倒置梯形浮筒和一排圆柱组成的Y形框架梯形浮动防波堤。通过物理实验发现，虽然这种类型的浮动防波堤性能有所提高，但也增加了建造成本。随后，Nikpoura等人（2019年）通过物理模型试验研究了海况条件和结构参数对单个梯形浮动防波堤的影响。Nasri等人（2021年）将梯形浮动防波堤与多孔板结合，形成了一种新型浮动防波堤。通过物理模型试验，研究了波浪条件、吃水深度以及多孔板的数量和高度对该浮动防波堤的影响，并提出了预测透射系数的公式。Ghadimi等人（2020年）进行了比较数值模拟，分析了放置在防波堤前的水下梯形浮动防波堤与未放置此类防波堤的矩形水下防波堤的响应幅度系数（RAO）。Swami等人（2023年）基于边界元素方法系统研究了防波堤的摩擦系数和孔隙率与海流之间的相关性。鉴于本文的核心研究重点是浮动防波堤底角对其能量消散性能的影响，因此采用数值模拟和物理实验相结合的方法对此关键问题进行了深入研究。
总之，大多数研究仅关注单个复合结构的物理模型试验和数值模拟，没有明确解释倾斜表面对浮动防波堤能量消散的影响或背后的机制。本实验旨在研究浮动防波堤底部角度对其能量消散性能和系泊系统的影响。为此，实验使用了相对简化的矩形浮动防波堤作为原型，并对其底部结构进行了改进。设计了六种具有不同底部角度的浮动防波堤模型并进行了制造。通过物理模型试验和数值模拟，在不同的波浪条件和相同的淹没深度下获得了这六种模型的波浪衰减性能和流场分布。首先，通过详细分析六种模型的反射系数、透射系数和消散系数，探讨了浮动防波堤的波浪衰减机制。此外，还研究了每种模型在不同条件下的锚链系泊力变化。最后，基于Deeplabcut进行了深入的运动响应分析，以研究浮动防波堤的波浪衰减机制。通过这六种模型的数值模拟和模型研究，揭示了浮动防波堤底部角度对其能量消散效果和系泊系统作用力的影响规律。最终，这为浮动防波堤的结构优化设计提供了实验基础和技术支持。
部分内容片段
物理模型
总之，大多数研究仅关注单个复合结构的物理模型试验和数值模拟，很少有研究进行全面的比较分析。因此，本文选择了几何形状简单的矩形、梯形和三角形浮动防波堤进行物理模型试验和模拟比较。设计了两种不同底角的梯形防波堤和两种布置方式，共计六种模型。
消散系数、透射系数和反射系数
反射系数（Kr）、透射系数（Kt）和消散系数（Kd）之间的关系遵循能量守恒原理，表达为Kr2 + Kt2 + Kd2 = 1。反射系数使用Goda的两点法确定，该方法依赖于波浪计WG1和WG2记录的波高数据。后续讨论概述了这些系数随波周期在不同波高下的变化规律（Goda等人（1976年）
结论
本研究通过物理模型测试对六种浮动防波堤模型的性能进行了全面分析和比较。进行了一系列规则波测试，研究了波浪参数和几何特性对波浪消散性能、系泊力和运动响应的影响。研究结论如下：
(1)在相同条件下，梯形浮动防波堤表现出更好的波浪消散性能
CRediT作者贡献声明
孙斌：资源获取、资金筹集。王建宇：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据整理。狄丹阳：监督、方法论指导。何春阳：撰写 – 审稿与编辑、数据整理。王菲菲：监督、项目管理。
数据可用性声明
支持本研究结果的部分或全部数据、模型或代码可向相应作者提出合理请求后获得。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
本研究仅使用人工智能进行语法校正和图像像素优化。整个过程严格遵循相关法规和Elsevier的学术标准，未发生任何学术不端行为。已验证该工具的使用条款，以确保研究数据的隐私。未经授权，这些材料不得用于其他用途，例如模型训练，论文的发表和传播不受限制。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（编号2022YFC3801000）、国家自然科学基金（编号52479052、52409107）和中国博士后科学基金资助项目（编号2022M722881）的财务支持。
