浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2021, 55(5): 866-874 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.05.007

机械工程

S型桨叶捕能消波浮式防波堤仿真及试验研究

黄方平,, 龚国芳, 杨灿军, 杨华勇

1. 浙江大学 机械工程学院，浙江 杭州 310027

2. 浙大宁波理工学院，浙江 宁波 315100

Simulation and experimental study of energy-capturing and wave-dissipating floating breakwater with S type blade

HUANG Fang-ping,, GONG Guo-fang, YANG Can-jun, YANG Hua-yong

1. School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

2. Zhejiang University Ningbo Institute of Technology, Ningbo 315100, China

收稿日期: 2020-07-24  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目（51605431）；宁波市重大科技攻关资助项目（2015C110015）

Received: 2020-07-24  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目（51605431）；宁波市重大科技攻关资助项目（2015C110015）

作者简介 About authors

黄方平（1973—），男，副教授，硕士，从事海洋机电装备研究.orcid.org/0000-0002-7140-5422.E-mail：hfp618@163.com , E-mail：hfp618@163.com

摘要

为了促进开放海域海养殖装备智能化、无人值守化发展，解决离岸养殖装备自主供能以及安全防护问题，针对所提出的Savonius型（S型）桨叶捕能消波式浮式防波堤，建立二维波浪数值水池，搭建物理水槽试验系统和海试系统，通过仿真和试验研究系统在不同结构参数下的水动力学特性，分析探究相对间距、相对入水深度、波陡对系统捕能消波性能的影响. 研究结果表明：该防波堤系统能同时进行捕能和消波，其捕能性能随着波陡的增加而增加，在周期1.6 s时捕能效果最好；消波性能随相对间距的增加而变好，透射系数为0.2~0.8，消波效果显著. 系统捕能与消波性能存在相互影响，多数情况下两者不能同时达到最佳. 海试运行测试验证了该型防波堤的捕能消波效果.

关键词： 浮式防波堤 ; S型桨叶 ; 捕能消波 ; 透射系数 ; 水动力性能

Abstract

An energy-capturing and wave-dissipating floating breakwater with Savonius type (S type) blade was proposed, in order to promote the intelligent and unattended development of marine aquaculture equipment in open sea area, and to solve the problems of independent energy supply and safety protection of offshore aquaculture equipment. A two-dimensional wave numerical pool was established, the physical tank test system and the sea test system were built. The hydrodynamic characteristics of the system under different structural parameters were studied by simulation and experiment, and the effects of relative spacing, relative depth of water entry and wave stepness on the energy capture and wave dissipation performance of the system were analyzed. Results showed that the breakwater system can simultaneously capture energy and eliminate waves, the energy capture performance of the breakwater system increased with the increase of wave steepness, the energy capture effect was the best when the period was 1.6 s, and the wave dissipation performance became better with the increase of relative spacing. The transmission coefficient fluctuated in the range of 0.2~0.8, and the wave dissipation effect was remarkable. In most cases, the energy capture and the wave dissipation performance of the system can not reach the best at the same time. The sea trial operation test verifies the energy capture and wave dissipation effect of the floating breakwater system.

Keywords： floating breakwater ; S type blade ; energy-capturing and wave-dissipating ; transmission coefficient ; hydrodynamic performance

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本文引用格式

黄方平, 龚国芳, 杨灿军, 杨华勇. S型桨叶捕能消波浮式防波堤仿真及试验研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2021, 55(5): 866-874 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.05.007

HUANG Fang-ping, GONG Guo-fang, YANG Can-jun, YANG Hua-yong. Simulation and experimental study of energy-capturing and wave-dissipating floating breakwater with S type blade. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2021, 55(5): 866-874 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.05.007

浮式防波堤具有工程造价低、受水深影响小、地基适应性强、施工拆除相对方便、有利于水体交换、对沉积物和生态环境影响较小等特点. 浮式防波堤因其经济及实用性，在近海海洋养殖方面得到广泛运用. 随着海洋养殖向开放海域发展，面临更大风浪的威胁，养殖装备易损坏，同时开放海域养殖装备运行监测及投喂需要能源，因此须研究既能提升抗风浪能力，又能解决能源供给问题的开放海域的新型浮式防波堤.

Shih等[1]以高透水密集小孔径管道为研究对象，探讨其对海水对流与交换的影响，并分析其能够达到的消波效果. Wang等[2]研究新型吊帘柔性浮式防波堤的消波效果. Syed等[3]研究由3个浮箱连接组成的浮式系统，结果表明，浮箱之间的间距是浮式防波堤系统的透射和反射系数的重要影响因子之一. Rahman等[4]通过数值计算与物理模型试验的比较分析，发现水下浮筒对波浪能量的耗散具有重要作用. 王明玉等[5]研究在规则波作用下矩形箱、矩形箱与单层柔性膜组合体和矩形箱与双层柔性膜组合体的透射性能，讨论矩形箱相对宽度、柔性膜长度、宽度吃水比等因素对于透射系数的影响. Atilla等[6]研究波浪周期对浮式防波堤的透射系数的影响，通过物理实验得知，浮式防波堤在波浪周期改变的情况下，透射系数变化较大. 王鹏等[7]借助二维物理波浪水槽，研究新式防波堤结构系统在3种不同水平底板宽度、12种不同波浪周期下的水动力特性，通过实验探究波高对防波堤模型相关水动力参数的影响.

姚建均等[8-9]通过速度云图和矢量图的研究分析减流机理，总结速度场变化规律，并进一步研究S型水轮机在不同叶尖速比情况下的减流效果. Ji等[10]提出由2个在波方向上具有不同距离的多孔浮式防波堤组成系统，研究结果表明双排浮式防波堤系统在许多方面都比单排浮式防波堤系统做得更好. 郑仁诗[11]利用STAR CCM+软件，对浮式防波堤进行建模，通过重叠网格划分技术仿真模拟计算单方箱浮式防波堤透射系数及运动响应，通过对所安装的风机产生的推力作用下的浮式防波堤进行数值模拟，运用该计算方法对该一体化装置水动力性能进行数值模拟，进而得出波浪透射系数、反射系数、耗散系数和防波堤的运动响应. 葛聪[12]通过开展二维物理模型试验研究新型浮筏式防波堤在较长周期波浪作用下的水动力特性，探讨规则波作用下浮堤相对宽度、相对倾斜宽度、相对前端入水深度、倾斜模块间连接方式对结构的消浪特性和锚链力特性的影响. 王世明等[13]研究设计基于海浪发电的浮式防波堤，利用波浪力学和垂荡能量转化，设计捕获波浪能量的防波堤外圈摆叶，验证该海浪发电的浮式防波堤的发电性能. 卞向前[14]研究2种不同锚泊形式的新型水轮机式浮式防波堤. 垂直导桩锚泊式防波堤采用转子旋转发电、振荡浮子式波浪能液压发电和风力发电3种发电装置结合实现其发电功能；转子旋转发电装置则被应用于锚链锚泊式浮式防波堤. Zhang等[15]通过分析直墙与方箱间不同间距，重点探讨小间距窄缝下和大间距情况下，近岸反射对集成系统反射系数、透射系数、波能捕获效率的影响. Qu等[16]系统分析主要参数，如波高、水深、淹没深度、间隔距离和防波堤的长宽比等对浮式防波堤的性能的影响. Zhang等[17]利用Star-CCM+软件建立波浪水槽数值模型，研究波浪与波浪能量转换器之间的相互作用，同时完成时间和空间步长收敛研究的验证. 研究波浪长度对浮箱式防波堤模型运动响应和透射系数的影响. 余洁等[18]研究基于S型桨叶浮式防波堤在线性规则波作用下的消波性能、运动响应和系泊张力响应. 鲍灵杰等[19]等研究2种不同布置的S型桨叶的浮式防波堤的捕能与消波性能，主要针对桨叶并列布置与垂直布置进行初步研究.

学者对于浮式防波堤的研究，大多针对其相对深度和相对宽度来分析浮式防波堤的透射系数、运动响应、消波机理等. 另外，S型桨叶大多用于风力发电，少部分用于低流速潮流能发电，关于将S型桨叶与浮式防波堤复合集成技术应用于海洋养殖装备中同时能够实现捕能和消波的研究较少. 因此，本研究对基于S型桨叶的捕能消波浮式防波堤的捕能消波性能进行研究，通过改变浮体的相对间距，改变桨叶的相对入水深度、波陡，研究其在不同波浪高度及不同周期情况下的水动力性能，同时进行海试应用测试与效果评估. 其结果对于指导该类型防波堤的设计具有一定的参考价值.

1. 系统结构设计

1.1. 桨叶设计

S型桨叶结构简单，低速启动性能好，可以接受来自任何方向的波浪水流驱动. 在传统一阶S型桨叶的旋转过程中，随着叶轮的旋转角度的变化，静转矩会出现波动. 通过在传统的S型桨叶的叶轮上增加另一个叶轮而获得的结构称为二阶S型桨叶. 叶轮之间有90°的偏角，叶片数由两叶片变为四叶片.

试验研究用桨叶组采用2组并列布置的S型桨叶，每组由3个二级S型桨叶组成，桨叶由不锈钢端盘和HDPE叶轮组成，桨叶密度略大于水，约为1.12 g/cm3，单个二级桨叶三维结构如图1所示.

图 1

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图 1   二级S型桨叶三维结构

Fig.1   Three dimensional structure of class II S blades


1.2. 防波堤设计

新型捕能消波浮式防波堤包括S型桨叶组、HDPE浮管组. S型桨叶组按一定密度通过铁皮条系泊悬挂在HDPE浮管下，S型桨叶组之间通过空心轴连接在一起，形成网状阵列分布式捕能系统；HDPE浮管组由2根HDPE浮管及其连接支架组成，通过柔性缆绳系泊在桩基上. 采用双浮管结构设计，相比于单浮管浮体，对于中长波具有较好的消波性能，波浪往往在浮管之间摩擦耗能及管内振荡消波，直至透射[20]. 因此，本研究采用双浮管及双排桨叶设计，浮式防波堤三维结构如图2所示. 参照工程背景实际情况和试验设备条件，浮式防波堤的浮体及桨叶几何参数如表1所示. 浮式防波堤水动力参数如表2所示.

图 2

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图 2   浮式防波堤三维结构

Fig.2   Three-dimensional structure of floating breakwater


表 1   浮式防波堤几何特征

Tab.1  Geometric characteristics of floating breakwater

参数 数值/m 参数 数值/m
浮管直径 0.33 叶片半径 0.15
浮管间距 0.65 桨叶高 0.61
浮堤长度 3 桨叶间隙 0.3
桨叶直径 0.5 端板直径 0.5

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表 2   浮式防波堤水动力参数表

Tab.2  Hydrodynamic parameters of floating breakwater

参数 数值 单位
水深 2 m
吃水深度 1.7 m
HDPE浮体密度 0.95 kg/m3
桨叶排水量 10 kg
桨叶转动惯量 (0.337, 0.337, 0.160) kg·m2

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2. 系统建模及数值模拟

2.1. 系统建模

在研究浮式防波堤水动力性能时，构建浮式防波堤的数学模型. 为了简化数学模型及降低方程的复杂程度，须设置流体黏性系数是不变的且是不可压缩流体. 计算方程主要是基于流体力学的纳维斯托克斯方程、连续性方程、自由液面方程等. 沿x、y、z 3个方向的动量守恒定理[19]如下：

$ \begin{split} &\frac{{\partial \left(\rho {{u}}\right)}}{{\partial {{t}}}} + \frac{{\partial \left(\rho uu\right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left(\rho uv\right)}}{{\partial y}} + \frac{{\partial \left(\rho uw\right)}}{{\partial z}} = \\ &\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{\partial }{{\partial x}}\left(\mu \frac{{\partial u}}{{\partial x}}\right) + \frac{\partial }{{\partial y}}\left(\mu \frac{{\partial u}}{{\partial y}}\right) + \frac{\partial }{{\partial z}}\left(\mu \frac{{\partial u}}{{\partial z}}\right) - \frac{{\partial p}}{{\partial x}} + {S_u}, \end{split} $

$ \begin{split} &\frac{{\partial \left(\rho {{v}}\right)}}{{\partial {{t}}}} + \frac{{\partial \left(\rho vu\right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left(\rho vv\right)}}{{\partial y}} + \frac{{\partial \left(\rho vw\right)}}{{\partial z}} = \\ &\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{\partial }{{\partial x}}\left(\mu \frac{{\partial v}}{{\partial x}}\right) + \frac{\partial }{{\partial y}}\left(\mu \frac{{\partial v}}{{\partial y}}\right) + \frac{\partial }{{\partial z}}\left(\mu \frac{{\partial v}}{{\partial z}}\right) - \frac{{\partial p}}{{\partial {{y}}}} + {S_{{v}}}, \end{split}$

$ \begin{split} &\frac{{\partial \left(\rho {{w}}\right)}}{{\partial {{t}}}} + \frac{{\partial \left(\rho wu\right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left(\rho wv\right)}}{{\partial y}} + \frac{{\partial \left(\rho ww\right)}}{{\partial z}} = \\ &\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{\partial }{{\partial x}}\left(\mu \frac{{\partial w}}{{\partial x}}\right) + \frac{\partial }{{\partial y}}\left(\mu \frac{{\partial w}}{{\partial y}}\right) + \frac{\partial }{{\partial z}}\left(\mu \frac{{\partial w}}{{\partial z}}\right) - \frac{{\partial p}}{{\partial z}} + {S_{{w}}}. \end{split} $

式中：ρ为流体的密度，u、v、w为沿x、y、z方向的速度分量，t为时间，p为流体压强，μ为黏度， Su、Sv、Sw为边界条件.

系统数值模型仿真是在上述数学模型的基础上利用STAR-CCM+软件实现的，通过设置波浪水槽、速度入口、压力出口，划分网格如图3所示，建立仿真实验模型如图4所示. 图中，Y为仿真实时波高，p为压力. 在模拟波浪的作用下，应用自由液面追踪法检测防波堤前、后的波浪高度，通过函数提取桨叶的转动扭矩和换算转动速度，通过两者乘积来计算桨叶的捕获功率.

图 3

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图 3   浮式防波堤网格划分

Fig.3   Grid division of floating breakwater


图 4

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图 4   浮式防波堤仿真实验模型

Fig.4   Simulation experimental model of floating breakwater


数值模拟主要通过改变浮式防波堤的宽度以及桨叶的入水深度，在改变波浪高度的情况下进行研究，相对间距（W/λ）为防波堤的宽度（两浮管轴线之间的距离）与波长的比值，相对入水深度（D/λ）为桨叶入水深度与波长的比值，波陡（h/λ）为波高与波长的比值. 由于仿真水槽与实验水槽深度有限，可以考虑波长即为波速与波浪周期的乘积.

2.2. 数值模拟结果分析

根据系统建模，调整浮式防波堤的结构参数及波浪的参数进行数值模拟. 结果分析如下.

如图5所示为入射波波高h=240 mm，桨叶入水深度D=750 mm工况条件下不同相对间距的数值仿真图. 图中，9个点中的第1、4、7点、第2、5、8点、第3、6、9点分别表示1.7、1.6、1.5 s 3种不同波浪周期的捕能消波情况. 随着相对间距的增大，每3个点的捕能功率P变化趋势与透射系数Ct的变化趋势呈负相关，表面捕能消波性能较好. 透射系数为0.2~0.6.

图 5

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图 5   不同相对间距的仿真实验曲线

Fig.5   Simulation experiment graphs of different relative spacings


在研究不同的相对入水深度时，每3个点代表相同的波浪周期，捕能功率变化趋势与透射系数变化趋势同样存在负相关关系，表明防波堤可以同时起到捕能消波作用. 随着相对入水深度变大，捕获功率在波浪周期为1.6 s时达到最大值，透射系数为0.3~0.6，如图6所示.

如图7所示为不同波陡的仿真实验图，随着波陡的增加，桨叶的捕获功率增加明显，仿真显示消波效果较好，透射系数为0.2~0.6.

图 6

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图 6   不同相对入水深度的仿真实验曲线

Fig.6   Simulation experiment graphs of different relative water entry depths


图 7

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图 7   不同波陡的仿真实验曲线

Fig.7   Simulation experiment graphs of different wave steepness values


3. 试验研究

3.1. 试验平台搭建

系统试验研究以长70 m、宽4 m、深2 m的实验水池为基础. 摇板式造波机由波形控制器驱动伺服电机，可以产生波形稳定、可重复的规则波. S型桨叶组通过软轴传动装置传动，驱动发电机发电加以利用或储存. 传感器采集浮式防波堤的试验数据，主要测量仪器为波高仪和动态扭矩传感器. 试验布置如图8所示. 浮式防波堤物理试验模型如图9所示. 如图10所示为浮式防波堤试验测试系统，如图11所示为浮式防波堤测试现场.

图 10

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图 10   浮式防波堤试验测试系统

Fig.10   Experimental test system of floating breakwater


图 8

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图 8   浮式防波堤试验布置示意图

1-摇板式造波机；2-数字式波高仪；3-采集控制箱；4-浮式防波堤；5-S型桨叶组；6-消波网   Schematic diagram of test arrangement for floating breakwater


图 9

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图 9   浮式防波堤物理试验模型

Fig.9   Physical model of floating breakwater


图 11

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图 11   浮式防波堤试验现场

Fig.11   Testing site of floating breakwater


3.2. 试验方法

为了对照和分析，设置不同试验组次，参数如表3所示. 数字式波高仪分别安装于浮式防波堤前、后1个波长及2个波长处. 为了便于观察到所产生的稳定波形，浮式防波堤试验位置位于造波机大于10个波长处. 考虑到一开始波浪撞击与破碎，采集时间大于60 s，规则波试验的波浪数据采集时间间隔小于平均波周期的1/20，采集频率为50 Hz. 在波浪稳定条件下，连续采集的波浪个数大于10个，并取其平均值作为代表值.

表 3   浮式防波堤试验组次数据

Tab.3  Test group data of floating breakwater

参数名称 符号 研究变量 单位
入水深度 D 0.70、0.75、0.80 m
堤宽 W 0.6、0.7、0.8 m
波高 h 0.09、0.14、0.19、0.24 m
波长 λ 2.186、2.250、2.377 m
波浪周期 S 1.5、1.6、1.7 s
相对入水深度 D/λ 0.294、0.311、0.316；0.320、0.333、
0.337；0.343、0.356、0.366 		−
相对间距 W/λ 0.252、0.267、0.274；0.290、0.311、
0.320；0.356、0.366、0.367 		−
波陡 h/λ 0.037、0.04、0.041；0.059、0.062、0.064；0.080、0.084、0.087；0.101、0.107、0.109 −

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桨叶的捕获功率是由扭矩传感器测得扭矩和转速相乘计算得到的. 动态扭矩传感器选用型号为DNY201，动态扭矩传感器的扭矩测量采用应变片的电测技术，将扭转应变转换为等比例的频率信号输出. 转速的测量采用光耦合电路处理的方法，把转轴的转速信号同样转换为模拟量，通过AD采集模块将模拟量转变为可读取的数字信号.

4. 试验结果分析

对浮式防波堤的消波性能有影响的因素较多，试验研究主要考虑对捕能消波性能影响较大的因素和根据浮式防波堤的实际结构参数情况，探讨在规则波作用下浮式防波堤的相对间距、相对入水深度和波陡等因素对浮式防波堤捕能消波性能的影响.

4.1. 相对间距对于捕能消波的影响

如图12（a）、（b）、（c）、（d）所示分别为该防波堤在波高为90、140、190、240 mm，波浪周期为1.5、1.6、1.7 s的波浪作用下的捕能消波情况. 其中每幅图由三部分组成，分别为入水深度为700、750、800 mm时的情况. 相比较于其他3幅图，如图12（a）所示，由于本身波高小，波浪能量较少，较难驱动桨叶旋转，捕能功率较低，且透射系数变化较大. 由图12（b）、（c）、（d）可以看出，随着波高的增加，桨叶转速逐步增加，捕能功率明显呈上升趋势. 随着相对间距的增大，透射系数在不同的入水深度呈现减小的趋势，消波效果变好，整体透射系数为0.2~0.6. 捕获功率波动较大，捕能效果在周期为1.6 s时最好.

图 12

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图 12   不同相对间距的捕能消波曲线

Fig.12   Energy-absorbing and wave-elimination graphs with different relative spacing values


4.2. 相对入水深度对于捕能消波的影响

如图13（a）、（b）、（c）、（d）所示分别为防波堤在上述4种不同波高的波浪作用下，在不同堤宽条件下，随着相对入水深度的变化，捕能消波情况的变化. 由图（b）、（c）、（d）可以看出，在不同堤宽条件下，随着相对入水深度的变化，在每3个点中，捕获功率呈现先增加后减少的趋势，在周期为1.6 s时，捕能效果最好. 透射系数随相对入水深度呈先减少后增加的趋势但相对捕能变化趋势有滞后，捕能及消波效果多数不能同时达到最好，透射系数为0.2~0.6，消波效果较好.

图 13

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图 13   不同相对入水深度的捕能消波曲线

Fig.13   Energy-absorbing and wave-elimination graphs with different relative water depths


4.3. 波陡对于捕能消波的影响

如图14（a）、（b）、（c）所示分别为桨叶入水深度为700、750、800 mm的新型捕能消波防波堤在12种不同参数的波浪作用下的捕能消波情况. 其中每幅图由3部分组成，分别为3种不同堤宽时的情况. 随着波陡的变化，浮式防波堤的透射系数为0.2~0.8，消波效果明显. 在不同堤宽及入水深度情况下，随着波陡的增加，捕能功率逐步呈现上升趋势，捕能性能提高明显. 当堤宽为800 mm，桨叶入水深度为750 mm时，捕能功率随波陡增加而稳定提升. 只有在其他个别情况中，波浪的水流流向的急剧改变会导致桨叶失速而不能正常捕能.

图 14

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图 14   不同波陡的捕能消波曲线

Fig.14   Energy-absorbing and wave-elimination graphs with different wave steepness values


数值模拟与物理试验结果总体变化趋势相近. 基于S型桨叶的浮式防波堤具有较好的捕能消波效果. 其中，捕能功率的大小与波陡有较大的联系，随着波陡的增加，捕能性能逐渐增加. 透射系数的大小与相对间距与相对入水深度变化有关，透射系数为0.2~0.8，消波效果显著.

5. 海试应用验证

海试防波堤系统包括主浮体、波浪能捕能消波模块、泊缆锚系结构等部分. 防波堤主体采用柔性HDPE材料和塑料浮管作为浮体，在下面悬挂2排能旋转的S形桨叶组，S形桨叶通过十字轴连接在一起. 浮管直径为330 mm，中间为橘黄色的浮体（1.7 m×1.4 m×0.4 m），桨叶直径为1.0 m，长度为1.2 m，每个桨叶之间距离为1.5 m. 海试防波堤结构如图15所示.

图 15

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图 15   海试防波堤实物结构

Fig.15   Sea test breakwater structure


海试地点位于浙江省象山县风门口开放海域，如图16所示，防波堤内侧放置了大黄鱼养殖网箱组.如图17所示为海试现场实况图，分别为风浪较大和较小时的实时监控图，可以明显区分防波堤前、后的波高情况和消波效果.

图 16

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图 16   浮式防波堤海试地点

Fig.16   Sea test site of floating breakwater


图 17

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图 17   防波堤海试现场捕能消波实况

Fig.17   Energy-absorbing and wave-elimination at sea test site


通过对风门口海域的波浪进行观测，拟定12种工况，对不同波高和不同周期下防波堤的捕能消波情况进行海试测试，测试结果如表4所示. 表中，T为周期，n为转速，N为转矩. 捕能消波情况如图18所示. 可以看出，海试防波堤在不同海况和不同周期和波高的波浪作用下均具有较好的捕能消波效果，透射系数为0.5~0.8. 随着波高和周期增大，透射系数增大，消波性能降低，捕能性能增大. 虽然海试波浪随机性较大，但其消波捕能性能与实验室及仿真测试变化趋势基本相同.

表 4   海试数据表

Tab.4  Sea test data table

工况 h /m T /s Ct n /（r·min−1） N /（N·m） P/W
1 0.8 3 0.568 19.3 429.0 867
2 0.8 4 0.613 15.2 573.0 912
3 0.8 5 0.642 11.8 772.0 954
4 1.2 4 0.607 15.8 542.1 897
5 1.2 5 0.707 12.6 775.3 1023
6 1.2 6 0.700 10.2 985.8 1053
7 1.5 4 0.689 15.2 818.6 1303
8 1.5 5 0.664 12.3 1001.5 1290
9 1.8 6 0.687 9.8 1245.3 1278
10 1.8 5 0.651 11.8 1053.7 1302
11 2.2 6 0.708 9.8 1290.2 1324
12 2.2 7 0.753 8.5 1575.4 1414

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图 18

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图 18   海试防波堤捕能消波性能曲线

Fig.18   Energy-absorbing and wave-elimination graphs of sea test


6. 结　论

（1）基于S型桨叶的浮式捕能消波防波堤的结构特点，捕能与消波存在相互影响，捕能性能与消波性能存在多数情况下不能同时取到最优的现象. 由于桨叶在波浪作用下转动捕能，很大程度改变波浪方向和减小波浪能量，使消波效果更好，浮式防波堤的消波性能存在一个波动范围，透射系数为0.2~0.8.

（2）在不同的二维波输入情况下，随着相对间距的增大，透射系数减少，消波效果变好. 捕获功率有波动，在周期为1.6 s时捕能效果最好. 随着相对入水深度的增加，透射系数变化在一定范围内波动，消波效果明显.

（3）波陡的变化对于系统的水动力透射系数影响不大.但是对于捕能功率影响较大，当波浪能量足以驱动桨叶旋转捕能时，桨叶的捕能功率随着波陡的增加而增加，直至桨叶转动频率达到波浪共振频率.

（4）虽然对S型桨叶捕能消波浮式防波堤集成系统性能的主要影响因素进行了一定的仿真试验研究，但还须进一步进行模型修正和试验研究，找出最佳尺寸模型和适用工况，研究锚系结构形式及锚系力主要影响因素，为推广提供试验及理论参考.

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