A Study on Wave Sheltering of Singly-moored Spar Buoys

本文研究主要目的在於估算單點錨碇圓柱浮體在不同的波浪條件下，探討單索錨碇圓柱浮體消耗波浪能量的百分比。 以梁（2000）所設計的半封閉圓管來做為實驗的水工模型，理論計算方面以Morison公式作為力分析的基礎，先計算出單根圓柱浮體在無波浪場下，將浮體拉離原位一個角度後再放開後，第一個半週期的平均消耗功率。再透過乘上一個修正值的間接計算方式，使得無波浪場下的平均消耗功率可以在波浪場中使用。 透過水工模型實驗，於一固定區域內設置數量不等的浮體模型，以隨機的方式排列，以正向規則入射波為波浪條件，量測波浪通過圓柱浮體設置區域前後的波高，獲得波浪能量損失，進而得到波浪能量消耗百分比。實驗得到入射波形尖銳度增加及相對水深減小時，透射率減小，消波效能較好。實驗結果與理論解析解作比較，驗證理論公式的正確性與誤差。 最後透過理論公式，來預測在不同的波浪條件下，欲達到某程度的消波效果，需設置多少圓柱浮體。The purpose of this paper is to estimate the wave sheltering of singly-moored spar buoy under different wave conditions, it is discussed that the singly-moored spar buoy consumes the percentage of wave energy.The spar buoy was constructed by a semi-closed pipe, which was designed by Liang(2000). The theory regards Morison formula as the foundation analyzed. First, unlock after moving the spar buoy in an angle under the quiet surface of water, calculate the power of average consumption of half-period. And then calculate the way through the indirectness of taking advantage of having a revising value, let this power of average consumption can be used in the wave field.Making use of the experiment of models, set up the model of the quantity in the regular area, arranges in way at random, regard regular wave as the wave condition, measure the height of wave before and after the area, and then received wave energy consumption percentage. The transmission coefficient also decreases as the wave steepness increases and the relative depth decreases. The experimental result is compared with theory, verify the exactness and error of theory formulae.Finally, predict under different wave conditions through the theory formula, how many singly-moored spar buoy are set up, how much result.中文摘要 Ibstract II文目錄 III目錄 V號說明 VIII一章 序論 1 1-1 研究背景 1 1-2 研究動機 3 1-3 文獻回顧 4二章 理論分析 7 2-1 座標系統 7 2-2 基本假設 7 2-3 無波浪場下力學分析 8 2-3-1 圓柱浮體的蓄功損失 8 2-3-2 圓柱浮體運動過程的能量消耗 10 2-3-3 圓柱浮體運動之拖曳力係數計算 13 2-4 波浪場下力學分析 13 2-4-1 以修正值修正圓柱浮體的消耗功率13三章 實驗設備與方法 18 3-1 實驗設備及配置 18 3-1-1 實驗水槽 18 3-1-2 電容式水位計 19 3-1-3 數位攝影機 20 3-1-4 水工模型材料 20 3-2 無波放場下圓柱浮體擺角阻尼運動實驗 21 3-2-1 實驗配置 21 3-2-2 實驗步驟 21 3-3 波浪場中圓柱浮體數量與消能關係實驗 22 3-3-1 實驗配置 22 3-3-2 實驗步驟 22 3-4 分析方法 23 3-4-1 用數位攝影機量測分析最大擺角的方法 23 3-4-2 水位計率定 23 3-4-3 分析入射波與反射波的方法 24 3-4-4 透射率計算方法 24四章 結果分析與討論 25 4-1 無波浪場下圓柱浮體的擺角阻尼運動實驗結果 25 4-1-1 粗糙度與拖曳力係數的關係 25 4-2 圓柱浮體數量與消波關係的探討 26 4-3 波浪場下圓柱浮體平均消耗功率解析解的結果與比較 26 4-4 圓柱浮體設置密度與消波關係的探討 28 4-5 消波能力的討論 29 4-6 理論預測 30五章 結論與建議 32 5-1 結論 32 5-2 建議 33考文獻 34錄A 6