【论文推荐】| 基于方箱结构的多开口型浮式防波堤水动力性能研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

随着海洋强国战略的深入推进以及海洋资源开发需求的日益增长，海岸防护工程面临着更为严苛的环境挑战。浮式防波堤作为兼具高效防护与生态环保优势的新型海岸结构物，因其不与海底接触、能够灵活适应深海水域及软弱地基等复杂环境，成为当前研究的热点。其中，箱型浮式防波堤因几何形状简单、应用便捷且消波性能较强而备受青睐。近年来，含大型贯穿性开口的近似箱型浮式防波堤作为一种新结构形式逐渐进入研究视野，其不仅能削减材料用量、控制建造成本，还能促进水体自由交换，降低对海洋生态系统的干扰。然而，现有研究对具有大型贯穿性开口的浮式防波堤的水动力特性认知仍相对匮乏。

基于此，本研究旨在已验证数值计算方法准确性的前提下，综合运用势流理论与计算流体力学（CFD）方法，系统探究不同开口形状（正方形、横向矩形、竖向矩形）及波浪周期等关键因素对浮式防波堤水动力性能及消波效果的影响规律。同时，本研究充分考虑了不同构型浮式防波堤的固有频率和开口自振频率对其水动力性能的作用机制，以期为新型浮式防波堤的结构设计优化与工程应用提供坚实的理论依据。

二、研究方法

本研究采用理论分析与数值模拟相结合的严密方法体系。首先，在构型设计方面，基于1:40的缩尺比，在标准箱型浮式防波堤基础上设计了3种多开口构型（正方形开口、横向矩形开口及竖向矩形开口），在严格保证开口面积及体积一致的前提下，设置不开口构型作为对比基准。其次，在频域分析方面，利用ANSYS-AQWA软件基于势流理论，计算了不同构型在波浪频率0.1~2.56 rad/s范围内的附加质量、辐射阻尼及幅值响应算子（RAO）等核心水动力系数。

在CFD数值模拟方面，采用STAR-CCM+软件，结合欧拉两相流模型和VOF法追踪自由液面，构建了8倍波长的数值水槽。通过网格收敛性分析，确定了最优空间步长（Δz=H/12）与时间步长（Δt=T/500）。该数值模型通过与圆筒型开口浮式防波堤的模型试验结果进行对比验证，平均误差仅为8.16%，证明了其极高的可靠性。CFD模拟选取了涵盖特征频率的波浪频段（原型周期4.4~7.0 s），在波高3.0 m、水深20 m的条件下设置了5种典型工况，全面捕捉结构的动力响应特征。

三、研究结果

研究揭示了多开口构型对浮式防波堤水动力性能的显著影响。在RAO分析中，横荡RAO在不同构型间呈现高度一致性；但在垂荡响应中，3种开口构型在波浪频率约1.1 rad/s（周期约5.7 s）处出现明显的共振峰值，而不开口构型无此现象。在横摇响应方面，开口结构在共振频率处表现出明显的抑制作用，且不同浪向对RAO大小基本无影响。此外，开口结构使附加质量和辐射阻尼的波动现象向低频方向偏移（由不开口构型的1.75 rad/s降至1.05 rad/s），且辐射阻尼幅值显著降低。

在消波性能方面，开口构型的透射系数显著低于不开口构型。特别是在耦合共振周期（T=0.9 s）处，不开口构型的透射系数分别高出正方形、横向矩形和竖向矩形开口构型38.12%、34.43%和29.05%。整体而言，与不开口构型相比，正方形、横向矩形和竖向矩形开口浮式防波堤的透射系数平均分别降低了29.99%、29.23%和23.96%，其中正方形和横向矩形开口构型的消波效果最优。

四、研究结论

基于势流理论对不同开口构型、不同波浪周期下浮式防波堤的频域水动力系数进行了数值计算，使用CFD方法对其运动响应和透射系数进行了仿真模拟。深入讨论了开口形状（正方形、横向矩形、竖向矩形）、波浪周期等因素对浮式防波堤水动力性能、消波效果的影响规律，主要结论如下：

1）横荡方向上，4种构型浮式防波堤的RAO呈现高度一致性，不同开口形式、构型是否开口对其横荡RAO基本没有影响；垂荡方向上，相比不开口构型，3种开口构型的浮式防波堤在固有周期处出现明显的共振峰值现象，开口结构对垂荡响应有显著影响；横摇方向上，4种构型的横摇响应随波浪频率的变化趋势完全一致，不开口构型的RAO幅值显著高于3种开口构型，表明开口结构能够对横摇运动起到明显的抑制作用。波浪方向的改变对4种构型浮式防波堤RAO的大小基本没有影响。

2）开口结构使浮式防波堤附加质量和辐射阻尼的波动现象向低频方向偏移，且开口构型对附加质量与辐射阻尼的波动与其固有频率（共振周期）存在相关性，显示出开口结构对浮式防波堤的水动力性能具有较大的影响。开口结构对浮式防波堤的运动响应起到了一定的抑制作用，使得开口构型浮式防波堤具有更好的稳定性。开口形状对横荡、垂荡和横摇自由度的运动响应影响较小。

3）从整体上看，不开口构型透射系数最大，显著高于开口构型，文中设计的开口结构可以显著提升波浪能量耗散。正方形开口和横向矩形开口构型的透射系数较为接近，其中，正方形开口构型的透射系数略小于横向矩形开口构型，竖向矩形开口构型的波浪透过性相对较高。相比于不开口构型，正方形开口、横向矩形开口和竖向矩形开口浮式防波堤的透射系数平均分别下降了29.99%、29.23%和23.96%，基于文中所研究的开口构型浮式防波堤，在提升消波效果方面具有显著优势。

4）文中设计构型开口内部流体自振频率与构型的整体自振频率较为接近，两种共振现象更易发生耦合效应，加强波浪破碎，提升消波效果。同时，开口构型垂荡和横摇的辐射阻尼和附加质量的波动发生在耦合周期范围内，说明在特定的波浪周期下，结构的动力响应特性与流体的运动特性相互作用，进一步影响了浮式防波堤的透射系数和整体性能。

最后，需要说明的是，以上结论是在文中所描述浮式防波堤构型尺寸、开口形式、缩尺比、水深和入射波周期范围等条件下取得的。对于其他开口构型和波浪条件，是否有相同结论存在，则需要进一步研究。

相关图表

本文引用格式：李金澄, 程勇, 嵇春艳, 等. 基于方箱结构的多开口型浮式防波堤水动力性能研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 108-119.  (LI Jincheng, CHENG Yong, JI Chunyan, et al. Research on the hydrodynamic performance of multi-opening floating breakwaters based on box-shaped structures[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 108-119.  (in Chinese)）

通信作者简介：程勇   

程勇，博士，教授，博士生导师，江苏科技大学船舶与海洋工程学院副院长。江苏省青蓝工程“中青年学术带头人”、“优秀青年骨干教师”以及江苏科技大学“深蓝工程—领军人才”计划资助人选，中国船舶力学学术委员会委员、中国海洋学会海洋工程分会理事以及国内海洋工程权威期刊《China Ocean Engineering》青年编委。主要从事海洋工程装备水动力学领域的理论和技术研究工作。以第一/通讯作者发表SCI收录论文60余篇，其中中科院1区且影响因子10.0以上8篇，最高影响因子达16.799；主持国家级、省部级等各级项目20余项，其中主持国家自然科学基金3项、江苏省自然基金2项、工信部财政部联合资助专题2项；授权发明专利7项；出版学术专著1部；获得中国造船学会科学技术奖二等奖1项；团队研发了我国南海首个浮式防波堤工程样机，目前已安装于我国南海，海上测试5年，为我国南海生态岛礁建设提供了重要的技术支撑。

参考文献

1

DAI J， WANG C M， UTSUNOMIYA T， et al. Review of recent research and developments on floating breakwaters［J］. Ocean Engineering， 2018， 158： 132-151.

2

嵇春艳， 孟小峰， 郭建廷， 等. 不同锚泊方式下浮式防波堤砰击载荷及其运动响应研究［J］. 舰船科学技术， 2021， 43（11）： 95-99.

JI C Y， MENG X F， GUO J T， et al. Research on slamming load and motion response of floating breakwater under different anchorage modes［J］. Ship Science and Technology， 2021， 43（11）： 95-99. （in Chinese）

3

MCCARTNEY B L. Floating breakwater design［J］. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering， 1985， 111（2）： 304-318.

4

何方，陈妍，潘佳鹏.迷宫形透空式防波堤的水动力性能试验研究［J］. 海洋工程， 2025， 43（2）： 1-11.

HE F，CHEN Y，PAN J P.Experimental study on the hydrodynamic performance of labyrinth-type permeable breakwaters［J］.The Ocean Engineering， 2025， 43（2）： 1-11. （in Chinese）

5

练继建， 骆佳， 王孝群. 浮式防波堤结构型式的研究进展［J］. 中国科学：技术科学， 2025， 55（1）： 51-65.

LIAN J J， LUO J， WANG X Q. Recent progress on structural types of floating breakwaters［J］. Scientia Sinica Technologica， 2025， 55（1）： 51-65. （in Chinese）

6

DRIMER N， AGNON Y， STIASSNIE M. A simplified analytical model for a floating breakwater in water of finite depth［J］. Applied Ocean Research， 1992， 14（1）： 33-41.

7

BOUWMEESTER E C， VAN DER BREGGEN H M. Floating breakwaters［R］. Delft： Delft University of Technology， 1984.

8

马玉祥， 田世豪， 董国海. 箱型浮式防波堤的波浪消减性能分析研究［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2025， 46（1）： 46-55.

MA Y X， TIAN S H， DONG G H. Wave-attenuating performance of box-type floating breakwaters［J］. Journal of Harbin Engineering University， 2025， 46（1）： 46-55. （in Chinese）

9

PARK J C， KIM K H. Analytical solutions for diffraction and radiation problems of an infinitely long floating compound breakwater with wide porous media［J］. Ocean Engineering， 2023， 279： 114548.

10

ZHENG Y N， LIU X M， CHEN C P， et al. Experimental study on the wave dissipation performance and mooring force of porous floating breakwater［C］//Proceedings of the IOP Conference Series： Earth and Environmental Science. ［S.l.：s.n.］， 2018， 189： 022058.

11

JI C Y， BIAN X Q， CHENG Y， et al. Experimental study of hydrodynamic performance for double-row rectangular floating breakwaters with porous plates［J］. Ships and Offshore Structures， 2019， 14（7）： 737-746.

12

ZHANG X S， HUANG H Y， SONG X Y. On natural frequencies and modal shapes in two-dimensional asymmetric and symmetric moonpools in finite water depth［J］. Applied Ocean Research， 2019， 82： 117-129.

13

JI C Y， YANG K， CHENG Y， et al. Numerical and experimental investigation of interactions between free-surface waves and a floating breakwater with cylindrical-dual/rectangular-single pontoon［J］. China Ocean Engineering， 2018， 32（4）： 388-399.

14

沈勇， 郭建廷， 颜威， 等. 局部波浪振荡对浮式防波堤消波效果影响分析［J］. 舰船科学技术， 2021， 43（15）： 93-98.

SHEN Y， GUO J T， YAN W， et al. Research on wave attenuation of floating breakwater by local large amplitude wave resonance［J］. Ship Science and Technology， 2021， 43（15）： 93-98. （in Chinese）

15

FALTINSEN O M. Sea loads on ships and offshore structures［M］. Cambridge： Cambridge University Press， 1990.

16

ZHOU H W， ZHANG H S. Radiation and diffraction analysis of a cylindrical body with a moon pool［J］. Journal of Hydrodynamics， 2013， 25（2）： 196-204.

17

ZHU Y P， LI X J， ZHU Y， et al. Experimental and numerical investigation of dynamic characteristics and safe mooring criteria of moored outfitting ships under swell conditions［J］. Ocean Engineering， 2024， 314： 119771.

18

LI C B， CHEN M S， CHOUNG J. The quasi-static response of moored floating structures based on minimization of mechanical energy［J］. Journal of Marine Science and Engineering， 2021， 9（9）： 960.

19

RAJABI M， GHASSEMI H. Hydrodynamic performance improvement of double-row floating breakwaters by changing the cross-sectional geometry［J］. Mathematical Problems in Engineering， 2021， 2021： 2944466.

20

郑艳娜， 李佳繁， 邵希冉， 等. OWC-开孔浮式防波堤稳定性的数值研究［J］. 大连海洋大学学报， 2024， 39（5）： 856-863.

ZHENG Y N， LI J F， SHAO X R， et al. Numerical investigation on the stability of OWC-perforated floating breakwater［J］. Journal of Dalian Ocean University， 2024， 39（5）： 856-863. （in Chinese）

21

卞向前. 开孔型浮式防波堤水动力性能及消波机理研究［D］. 镇江： 江苏科技大学， 2024.

BIAN X Q. Study on hydrodynamic performance and wave attenuation mechanisms of floating breakwater with openings［D］. Zhenjiang： Jiangsu University of Science and Technology， 2024. （in Chinese）

22

ZHANG H M， ZHOU B Z， VOGEL C， et al. Hydrodynamic performance of a floating breakwater as an oscillating-buoy type wave energy converter［J］. Applied Energy， 2020， 257： 113996.

23

孟小峰. 浮式防波堤砰击响应计算及其强度分析［D］. 镇江： 江苏科技大学， 2020.

MENG X F. The slamming-response analysis and strength evaluation for floating breakwater［D］. Zhenjiang： Jiangsu University of Science and Technology， 2020. （in Chinese）

24

CHAKRABARTI S K. Handbook of offshore engineering［M］. Amsterdam， London： Elsevier Science， 2005.

25

袁培银， 李渝锋， 张哲. 基于AQWA的圆筒型浮式防波堤波浪运动响应分析［J］. 重庆交通大学学报（自然科学版）， 2023， 42（5）： 85-91.

YUAN P Y， LI Y F， ZHANG Z. Motion response of cylindrical floating breakwater based on AQWA［J］. Journal of Chongqing Jiaotong University （Natural Science）， 2023， 42（5）： 85-91. （in Chinese）

26

陈友声， 刘剑雄， 彭军涛. 浮式结构物附加质量与附加阻尼的仿真和识别［J］. 科学技术与工程， 2010， 10（24）： 5933-5937.

CHEN Y S， LIU J X， PENG J T. Simulation and identification of added mass and added damping for a floating structure［J］. Science Technology and Engineering， 2010， 10（24）： 5933-5937. （in Chinese）