1. 研究目的与意义（文献综述）
| 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 目的及意义 进入21世纪以来随着经济的发展，人类对海洋的开发利用进入一个空前迅猛的发展时代。与此同时,如何保护海洋环境以及提升海洋工程防灾抗灾能力等相关问题越来越受到人们的关注。防波堤是用来保护海岸线和水产养殖区域免受波浪冲击或对港口内部建筑结构起掩护作用的构筑物，是港口水工建筑物的重要组成部分。它可以抵御外海波浪，维护港内水域的平稳，保护其它港口工程建筑物，保证船只进出、停泊与装卸作业的安全。此外，在某些海区防波堤还起到阻止流冰大量涌入港内，减轻港内泥沙淤积的作用。但是随着港口深水化、水产养殖区域的扩大化和深水化，传统意义上建造在海床底部的防波堤因其造价较高，技术复杂，施工困难等因素己不能适应深水港和深水养殖业发展的需求。 浮式防波堤是一种漂浮在水上、可以抵御外海波浪冲击、维持受保护海域水动力平稳的结构物。它能够利用波能分布的规律以及自身的建造特点克服许多传统防波堤的弊端。浮式防波堤的优点有：造价低廉；施工简单；不受水深限制；不受海底海床环境影响；具有很强的海水交换功能，防治海水污染。浮式防波堤的这些优势决定了它越来越多地受到人们的关注和认可，并在近岸工程中取得越来越多的应用。从浮式防波堤被提出以来，其消浪性能的好坏一直是设计者关心的主要问题，而如何准确地预报其消浪性能又是流体动力学相关科研人员需要解决的问题。本研究基于计算流体动力学（CFD）方法开展浮式防波堤水动力数值分析，研究具有较大的科学意义和工程应用前景。 国内外研究现状 目前国内外研究浮式防波堤消浪性能的方法大概有三种：物理模型试验方法、理论分析方法和数值模拟方法。物理模型试验方法通过水池或水槽试验来测量防波堤的消浪系数，该方法可以比较真实地重现流动现象，测量结果可信度较高，可以借助试验结果分析防波堤的消浪机理。物理模型试验方法有其固有缺陷，如需要特定的场地和仪器设备、费时费力的重复性试验，因此该方法费用较高，效率较低。理论分析方法通常是采用经验公式对防波堤消浪性能进行估算，这种方法简单、快捷、预报结果有一定的参考性，但预报精度较低，尤其对结构形式特殊的防波堤适用性较差。数值模拟方法是基于特定的数学模型在计算机上实现浮式防波堤水动力相关问题的仿真，基于CFD方法的数值模拟技术是其中的代表者。CFD方法以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验，以解决各种实际问题。由于CFD方法计算精度高，在计算成本有限的情况下可得到满足精度要求的结果，且便于分析不同结构形式的防波堤在不同工作环境中的水动力特性，因此本研究采用基于CFD方法的数值模拟手段进行浮式防波堤水动力特性分析。 |
2. 研究的基本内容与方案
| 2、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 基本内容 1、 针对方箱型浮式防波堤，基于CFD方法建立防波堤在波浪中运动的水动力计算模型。 2、 对所建立的水动力模型进行验证及调试。 3、 计算特定波浪条件和水深条件下方箱型浮式防波堤的消浪系数，并对计算结果进行分析。 目标 通过本研究，得到用于浮式防波堤水动力分析的数值波浪水槽及相应的数值实施方案，为浮式防波堤消浪性能分析提供可靠的预报手段。 技术方案和措施 1、 以方箱型浮式防波堤为研究对象，基于求解RANS方程的CFD方法，采用商用粘性流求解器FLUENT建立用于模拟防波堤运动流场的数值波浪水槽。 2、 采用不同大小的计算区域和网格尺寸计算方箱型浮式防波堤水动力，分析计算域范围及网格尺寸对计算效率和精度的影响。 3、 计算特定波浪条件下方箱型浮式防波堤的消浪系数，采用前人物理模型试验结果验证所建立的数值波浪水槽的有效性，根据验证结果调整数值实施方案。 4、 分析入射波波长对防波堤消浪性能的影响，根据数值模拟得到的流场特征和防波堤运动特性，提出改善浮箱型防波堤消浪性能的建议。 |
3. 研究计划与安排
| 3、进度安排
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4. 参考文献（12篇以上）
| 4、阅读的参考文献不少于15篇（其中近五年外文文献不少于3篇） [1] 刘应中, 缪国平. 船舶在波浪上的运动理论[M]. 上海交通大学出版社, 1986. [2] FaltinsenO.M., Sea loads on ships and offshore structures [M]. Cambridge UniversityPress, 1990. [3] 王献孚, 刘应中. 计算船舶流体力学[M]. 上海交通大学出版社,1990. [4] 王福军. 计算流体动力学分析: CFD软件原理与应用[M]. 清华大学出版社, 2004. [5] KoutandosE., Prinos P., Gironella X., Floating breakwaters under regular and irregularwave forcing: reflection and transmission characteristics [J]. Journal ofHydraulic Research, 2005, 43 (2), 174-188. [6] HieuaP.D.,Tanimoto K., Verification of a VOF-based two-phase flow model for wavebreaking and wave-structure interactions. Ocean Engineering, 2006, 33 (11, 12),1565-1588. [7] 郑艳娜. 波浪与浮式结构物相互作用的研究[D]. 博士学位论文, 大连理工大学,2006. [8] 侯勇. 单方箱-锚链式浮防波堤水动力特性试验研究[D]. 硕士学位论文, 大连理工大学, 2008. [9] 袁盛良. 浮箱式防波堤水动力特性试验研究[D]. 硕士学位论文, 长沙理工大学,2012. [10] 程勇. 系泊式海上超大型浮式储油船水动力性能分析[D]. 硕士学位论文, 大连理工大学,2012. [11] BiesheuvelA.C., Effectiveness of floating breakwaters - Wave attenuating floatingstructures [D]. Master Thesis, Delft University of Technology, 2013. [12] 董志, 詹杰民. 基于VOF方法的数值波浪水槽以及造波、消波方法研究[J]. 水动力学研究与进展, 2009, 24 (1), 15-21. [13] 查晶晶. 基于OpenFOAM的数值造波与消波模型及其应用[D]. 硕士学位论文, 上海交通大学, 2011. [14] 谷汉斌, 陈汉宝, 栾英妮. 刘海源. 平推式造波板运动的数值模拟[J]. 水道港口,2011, 32 (4), 244-251. [15] 胡俊明. 基于Fluent波浪的辐射与绕射问题数值模拟研究[D]. 硕士学位论文, 哈尔滨工程大学, 2011. [16] PengW., Lee K.H., Shin S.H., Mizutani N. Numerical simulation of interactionsbetween water waves and inclined-mooredsubmergedfloatingbreakwaters [J]. Coastal Engineering,2013,82: 76-87. [17] ChenZ., Wang Y., Dong H., Zheng B. Time-domain hydrodynamic analysis of pontoon-platefloating breakwater [J]. Water Scienceand Engineering, 2012, 5 (3): 291-303. |
