一种可消中长周期波浪的浮式防波堤及其单元

1.本发明属于海岸工程技术领域，具体涉及一种可消中长周期波浪的浮式防波堤及其单元。


背景技术：

2.中长周期波浪具有极强的穿越可透浪防波堤的能力，可对系泊船舶、码头作业和港口设施带来严重危害，因此实现中长周期波浪的消波问题具有重要的现实意义。
3.防波堤是一种人工结构物，是沿海港口的重要组成部分，具有防御波浪入侵、降低波浪强度、维持水面平稳和保护沿海岸线的作用。按照结构类型划分，防波堤可分为重型防波堤与轻型防波堤两类。重型防波堤包括斜坡堤、直墙堤和混成堤等，是最常用的防波堤类型；轻型防波堤是根据波浪能集中于海水表面三倍波高内的特点，结合工程的特殊需要而研究出来的，如浮式防波堤、梳式防波堤、透空式防波堤、喷气式防波堤和射水防波堤等。
4.波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，波浪能转换装置形式多种多样，按照波浪能量采集原理可以分为：振荡水柱式、振荡浮子式、越浪式发电技术等。振荡水柱式(owc)波能装置是利用捕能气室吸收波浪能量，入射波浪通过水下开孔传递进入捕能气室，在气室内形成振荡水柱压缩气室内的空气，通过气室孔口与气室外空气进行交换，在这一过程中驱动空气透平，将波浪能转化为机械能，进一步带动发电装置，得到电能。其优点是透平机组等相对脆弱的机械部分只与往复流动的空气接触，不受波浪直接作用，避免波浪力和海水腐蚀，可靠性高。
5.针对传统座底式防波堤造价成本高、适用海况受限、污染物富集等问题以及传统浮式防波堤消浪效果差、生存能力弱等问题，探索出消浪性能更高、生存能力更强、经济性更优、生态干扰更弱的防波堤构型显得尤为必要。考虑波浪能转换装置可有效吸收波浪能，在此背景下，诸多学者提出波浪能装置集成于浮式防波堤的概念。mustapa等总结了波浪能装置与防波堤集成设计的最新研究进展，从可靠性、时效性和性能等几个方面讨论了不同结构型式的新型防波堤的波能聚集和能量耗散的能力，发现该领域内所做的大多数研究侧重于波浪条件较为剧烈的海域，而较少关注亚洲国家面临的长周期波浪海况(mustapa et al.,2017)。卫志军提出一种可移动的具有振荡水柱式波浪能转换装置浮式防波堤，多个弹性连接的浮式防波堤在波浪作用下相对运动，舱室内水体的运动压缩空气推动空气涡轮机发电，并可实现对离岸海洋结构物的掩护。
6.聚焦浮式防波堤在长周期波浪作用下的消浪性能不理想和安全性较弱的问题，以优化防波堤结构、降低建造成本、增强消浪特性和保护生态环境为导向，基于helmholtz水波共振原理构造长周期波浪共振，利用owc波能吸收装置和开孔结构的流体动能耗散效应，提出可适用于长周期波浪条件海域的具备优良消波性能的新型浮式防波堤，其成本共享和空间共享能够促进波浪能装置的工程化应用，为离岸海洋结构物、港口群和沿海城市提供优良掩护条件。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种可消中长周期波浪的浮式防波堤及其单元。
8.一种可消中长周期波浪的浮式防波堤单元，包括owc气室、防波堤迎浪墙、防波堤背浪墙；所述防波堤迎浪墙与防波堤背浪墙分别安装在owc气室左右两侧，在防波堤迎浪墙于防波堤背浪墙内部均设有浮力腔室，浮力腔室内填充有防水建筑材料，为防波堤单元整体提供必要的浮力；所述owc气室内部通过owc气室隔墙分隔出多个气室；在每个气室底面上开设有波浪入射孔，顶面上开设有消能气孔，在气室内部布置有开孔耗能板；
9.波浪从波浪入射孔进入气室，使波浪能聚集于气室内部，气室内水体因发生强烈共振呈现大幅度升降运动，此时水体将作用到安置于气室内部的开孔耗能板，水体经过开孔耗能板转换为湍流引起明显的湍流动能耗散，有效降低水体的机械能；气室内水柱做升沉运动引起水体上方的空气被强烈挤压，实现水体动能到气体内能的转化，蕴含能量的气体通过消能气孔，实现气体内能到湍动能的转化。
10.进一步地，所述开孔耗能板宽度小于单个气室宽度，并采用多排布置型式，该设计既能够增大水体湍能耗散效果，又在一定程度上降低冲击荷载，提高防波堤自身生存能力。
11.进一步地，由于owc气室内水体发生共振频率受底端开孔的大小变化而改变，所述气室底面上开设的波浪入射孔的结构尺寸需根据实际海域的中长波海况条件确定，基于owc水动力学特性设计出适当的气室共振频率，以使得中长周期波浪作用下，owc气室内水体能产生活塞共振现象，进而将大量波浪能聚集在气室内，实现波浪能的聚集。
12.一种可消中长周期波浪的浮式防波堤，包括可消中长周期波浪的浮式防波堤单元和锚固装置；所述可消中长周期波浪的浮式防波堤单元排列成阵列，各可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的防波堤迎浪墙处于同一侧，相邻的可消中长周期波浪的浮式防波堤单元之间通过连接装置连接；所述锚固装置布置于防波堤两端的可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的外侧；所述锚固装置限制防波堤在离岸条件下的运动，以提高消浪效果。
13.进一步地，所述连接装置采用预应力混凝土浇筑，用以抵消或减小外荷载产生的拉应力，以保障浮式防波堤在实际应用中的生存能力。
14.进一步地，所述锚固装置包括缆绳和锚块，缆绳连接于浮式防波堤两端的可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的底部，锚块锚固在海底以限制防波堤在波浪作用下的强迫运动。
15.本发明的有益效果在于：
16.本发明将可靠性高的owc装置与浮式防波堤集成，基于helmholtz水波共振效应，使中长周期波浪聚集在腔室产生共振，并采用孔隙耗能结构有效提升浮式防波堤消波性能，形成具有强消波能力、高可靠性、低造价、低施工难度的适用于中长周期波浪海况下的新型浮式防波堤布置方案。
附图说明
17.图1为本发明中一种可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的结构前视图。
18.图2为本发明中一种可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的结构侧视图。
19.图3为本发明中一种可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的结构俯视图。
20.图4为本发明中一种可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的总体结构透视图(主
视)。
21.图5为本发明中一种可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的总体结构透视图(侧视)。
22.图6为本发明中一种可消中长周期波浪的浮式防波堤的结构前视图。
23.图7为本发明中一种可消中长周期波浪的浮式防波堤的结构侧视图。
24.图8为本发明中一种可消中长周期波浪的浮式防波堤的结构俯视图。
25.图9为本发明中一种可消中长周期波浪的浮式防波堤的结构轴侧图。
26.图10为本发明中一种可消中长周期波浪的浮式防波堤的结构透视图。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明做进一步描述。
28.振荡水柱(owc)波能装置存在特定共振频率可有效增强长周期波浪作用下的波能聚集性能，且具有可靠性高、施工难度小、运维成本低等优点，因此本发明提出一种可抵御中长波的新型浮式防波堤结构设计方法，主要目的在于设计出一种基于helmholtz水波共振效应的具有强消波能力、低造价、低施工难度的适用于海域长周期波浪海况下的新型浮式防波堤布置方案。
29.一种可消中长周期波浪的浮式防波堤单元，其特征在于：包括owc气室、防波堤迎浪墙10、防波堤背浪墙11；所述防波堤迎浪墙10与防波堤背浪墙11分别安装在owc气室左右两侧，在防波堤迎浪墙10于防波堤背浪墙11内部均设有浮力腔室9，浮力腔室9内填充有防水建筑材料，为防波堤单元整体提供必要的浮力；所述owc气室内部通过owc气室隔墙2分隔出多个气室；在每个气室底面上开设有波浪入射孔6，顶面上开设有消能气孔8，在气室内部布置有开孔耗能板7；
30.波浪从波浪入射孔6进入气室，使波浪能聚集于气室内部，气室内水体因发生强烈共振呈现大幅度升降运动，此时水体将作用到安置于气室内部的开孔耗能板7，水体经过开孔耗能板7转换为湍流引起明显的湍流动能耗散，有效降低水体的机械能；气室内水柱做升沉运动引起水体上方的空气被强烈挤压，实现水体动能到气体内能的转化，蕴含能量的气体通过消能气孔8，实现气体内能到湍动能的转化。
31.所述开孔耗能板7宽度小于单个气室宽度，并采用多排布置型式，该设计既能够增大水体湍能耗散效果，又在一定程度上降低冲击荷载，提高防波堤自身生存能力。
32.由于owc气室内水体发生共振频率受底端开孔的大小变化而改变，所述气室底面上开设的波浪入射孔6的结构尺寸需根据实际海域的中长波海况条件确定，基于owc水动力学特性设计出适当的气室共振频率，以使得中长周期波浪作用下，owc气室内水体能产生活塞共振现象，进而将大量波浪能聚集在气室内，实现波浪能的聚集。
33.一种可消中长周期波浪的浮式防波堤，包括可消中长周期波浪的浮式防波堤单元和锚固装置13；所述可消中长周期波浪的浮式防波堤单元排列成阵列，各可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的防波堤迎浪墙10处于同一侧，相邻的可消中长周期波浪的浮式防波堤单元之间通过连接装置12连接；所述锚固装置13布置于防波堤两端的可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的外侧；所述锚固装置13限制防波堤在离岸条件下的运动，以提高消浪效果。
34.所述连接装置12采用预应力混凝土浇筑，用以抵消或减小外荷载产生的拉应力，以保障浮式防波堤在实际应用中的生存能力。
35.所述锚固装置13包括缆绳和锚块，缆绳连接于浮式防波堤两端的可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的底部，锚块锚固在海底以限制防波堤在波浪作用下的强迫运动。
36.实施例1：
37.一种可消中长周期波浪的新型浮式防波堤主要由以下系统组成：owc波能聚集系统、波能耗散系统、平台载体系统。
38.owc波能聚集系统。owc气室前墙1、owc气室隔墙2、owc气室后墙3、顶部支撑体4和底部支撑体5均由钢筋混凝土预制。条形开孔6的尺寸需结合实际海况波浪条件，基于owc水动力学特性设计出适当的气室共振频率，以使得中长周期波浪作用下，owc气室内水体能产生活塞共振现象，即波浪能聚集效率最大。
39.波能耗散系统。多排开孔耗能板7采用钢结构，安置于owc气室中下方，板间距不宜过大。开孔耗能板7的开孔率决定了对波浪湍能耗散的能力，在实际设计时可采用数值模拟方法为提供设计参考。消能气孔8贯穿分布在顶部支撑体中，以将气室内受水柱升沉运动被挤压的高能气体转化为湍动能耗散。
40.平台载体系统。防波堤迎浪墙10和防波堤背浪墙11采用钢筋水泥混凝土预制。浮力腔室9内填充防水建筑材料，满足浮式防波堤的浮力要求。各单元间的连接装置12采用预应力混凝土浇筑，用以抵消或减小外荷载产生的拉应力，以保障浮式防波堤在实际应用中的生存能力。锚固装置13包括缆绳和锚块，缆绳连接于浮式防波堤两端单元底部，锚块锚固在海底以限制防波堤在波浪作用下的强迫运动。
41.条形开孔6的结构尺寸需根据实际海域的中长波海况条件确定，这是因为owc气室内水体发生共振频率可受底端开孔的大小变化而改变。当经过合理设计的owc装置在中长波作用时，周期与owc气室内水体的自振周期相一致，产生强烈的活塞共振现象，进而将大量波浪能聚集在气室内，实现了波浪能的聚集。owc波能聚集系统内存有三个气室，各气室之间经owc气室隔墙2相连接，此设计可增大对入射波浪的聚集频宽，有效地适应实际海况，增强波能聚集效果。注：共振腔室形状及owc气室底端的开孔形状不唯一，二者形状的改变均属于本专利的保护范畴。此处以条形开孔6设计为例，若改成其他异形孔或多孔等设计均在本专利的设计范围内。共振腔室形状以及owc气室底端开孔形状的设计原理均是基于helmholtz水波共振效应，使得腔室内部共振频率发生偏移以提升实际海况下的波能聚集效率。
42.波能耗散系统由多排开孔耗能板7和消能气孔8组成。owc波能聚集系统将波浪能聚集于气室内部，气室内水体因发生强烈共振呈现大幅度升降运动，此时水体将作用到安置于气室内部的开孔耗能板。开孔耗能板可有效降低水体的机械能，其原理是水体经过开孔耗能板7转换为湍流引起明显的湍流动能耗散。开孔耗能板7宽度小于单个气室宽度，并采用多排布置型式，该设计既能够增大水体湍能耗散效果，又在一定程度上降低冲击荷载，提高防波堤自身生存能力。消能气孔8布置于顶部支撑体中，气室内水柱做升沉运动引起水体上方的空气被强烈挤压，实现水体动能到气体内能的转化，蕴含能量的气体通过消能气孔，实现气体内能到湍动能的转化。
43.平台载体系统包括浮力腔室9、防波堤迎浪墙10、防波堤背浪墙11、连接装置12和
锚固装置13。浮力腔室9内填充有防水建筑材料，为新型防波堤整体提供必要的浮力，保障结构在海上的生存条件。防波堤迎浪墙10和防波堤背浪墙11外侧均与外界水体接触，可起到抵御短波波浪作用，降低透射到堤后波高，为后方海洋结构物提供掩护。多个单体单元通过连接装置12组成阵列防波堤，可根据实际海况需要调整阵列单元数，故该新型防波堤的布置方案具有高灵活性和高可靠性。浮式防波堤通过可靠性高的锚固装置13限制在离岸条件下的运动，以提高消浪效果。
44.本发明将可靠性高的owc装置与浮式防波堤集成，基于helmholtz水波共振效应，使中长周期波浪聚集在腔室产生共振，并采用孔隙耗能结构有效提升浮式防波堤消波性能，形成具有强消波能力、高可靠性、低造价、低施工难度的适用于中长周期波浪海况下的新型浮式防波堤布置方案。
45.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可消中长周期波浪的浮式防波堤单元，其特征在于：包括owc气室、防波堤迎浪墙(10)、防波堤背浪墙(11)；所述防波堤迎浪墙(10)与防波堤背浪墙(11)分别安装在owc气室左右两侧，在防波堤迎浪墙(10)于防波堤背浪墙(11)内部均设有浮力腔室(9)，浮力腔室(9)内填充有防水建筑材料，为防波堤单元整体提供必要的浮力；所述owc气室内部通过owc气室隔墙(2)分隔出多个气室；在每个气室底面上开设有波浪入射孔(6)，顶面上开设有消能气孔(8)，在气室内部布置有开孔耗能板(7)；波浪从波浪入射孔(6)进入气室，使波浪能聚集于气室内部，气室内水体因发生强烈共振呈现大幅度升降运动，此时水体将作用到安置于气室内部的开孔耗能板(7)，水体经过开孔耗能板(7)转换为湍流引起明显的湍流动能耗散，有效降低水体的机械能；气室内水柱做升沉运动引起水体上方的空气被强烈挤压，实现水体动能到气体内能的转化，蕴含能量的气体通过消能气孔(8)，实现气体内能到湍动能的转化。2.根据权利要求1所述的一种可消中长周期波浪的浮式防波堤单元，其特征在于：所述开孔耗能板(7)宽度小于单个气室宽度，并采用多排布置型式，该设计既能够增大水体湍能耗散效果，又在一定程度上降低冲击荷载，提高防波堤自身生存能力。3.根据权利要求1所述的一种可消中长周期波浪的浮式防波堤单元，其特征在于：由于owc气室内水体发生共振频率受底端开孔的大小变化而改变，所述气室底面上开设的波浪入射孔(6)的结构尺寸需根据实际海域的中长波海况条件确定，基于owc水动力学特性设计出适当的气室共振频率，以使得中长周期波浪作用下，owc气室内水体能产生活塞共振现象，进而将大量波浪能聚集在气室内，实现波浪能的聚集。4.基于权利要求1的一种可消中长周期波浪的浮式防波堤，其特征在于：包括可消中长周期波浪的浮式防波堤单元和锚固装置(13)；所述可消中长周期波浪的浮式防波堤单元排列成阵列，各可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的防波堤迎浪墙(10)处于同一侧，相邻的可消中长周期波浪的浮式防波堤单元之间通过连接装置(12)连接；所述锚固装置(13)布置于防波堤两端的可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的外侧；所述锚固装置(13)限制防波堤在离岸条件下的运动，以提高消浪效果。5.根据权利要求4所述的一种可消中长周期波浪的浮式防波堤，其特征在于：所述连接装置(12)采用预应力混凝土浇筑，用以抵消或减小外荷载产生的拉应力，以保障浮式防波堤在实际应用中的生存能力。6.根据权利要求4所述的一种可消中长周期波浪的浮式防波堤，其特征在于：所述锚固装置(13)包括缆绳和锚块，缆绳连接于浮式防波堤两端的可消中长周期波浪的浮式防波堤单元的底部，锚块锚固在海底以限制防波堤在波浪作用下的强迫运动。

技术总结
本发明属于海岸工程技术领域，具体涉及一种可消中长周期波浪的浮式防波堤及其单元。本发明将可靠性高的OWC装置与浮式防波堤集成，波浪从波浪入射孔进入气室，使波浪能聚集于气室内部，气室内水体因发生强烈共振呈现大幅度升降运动，此时水体将作用到安置于气室内部的开孔耗能板，水体经过开孔耗能板转换为湍流引起明显的湍流动能耗散，有效降低水体的机械能；气室内水柱做升沉运动引起水体上方的空气被强烈挤压，实现水体动能到气体内能的转化，蕴含能量的气体通过消能气孔，实现气体内能到湍动能的转化。本发明具有强消波能力、高可靠性、低造价、低施工难度的特点，适用于中长周期波浪海况下的新型浮式防波堤布置方案。波浪海况下的新型浮式防波堤布置方案。波浪海况下的新型浮式防波堤布置方案。


技术研发人员：赵玄烈 耿敬 李扬
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/8