Experimental Investigation of an Inclined, Floating Breakwater with a Porous design and Bio-enhancing features

Abstract

Verden går i møte risikoer ved den globale oppvarmingen som er betydelig større enn det som tidligere er beskrevet, herunder økning av sjønivå og ekstreme værfenomener. Klimaendringene har også medført betydelige og irreversible tap i det marinbiologiske mangfoldet og det marine økosystemet. Tilpasninger som bremser trenden, er avgjørende. Flytemoloer er et etablert alternativ til den konvensjonelle massive moloen, hvor bygging av sistnevnte ikke er hensiktsmessig grunnet økonomiske, miljømessige eller praktiske hensyn. Typiske bruksområder er områder som hovedsakelig er utsatt for skarpe, vindgenererte bølger, ettersom flytemoloer generelt har en dårlig effekt mot dønninger med lange perioder.

Denne studien presenterer et nytt design for en flytemolo. Konseptet for moloen kan brytes ned i én bølgedempende del og én biodiversitetsforbedrende del, hvor det fysiske designet spiller inn på begge deler. Moloen vil være vinklet mot vannplanet med hensikt å etterligne en strand, hvor innkommende bølger skal brytes. Overflaten vil være porøs og delvis gjennomtrengelig, med hensikt å forstyrre vannets strømning langs modellens overflate i tillegg til å skape luftig turbulens i, og rundt, modellen. Potensialet for biodiversitetsforbedrende egenskaper vil bli diskutert og testet for å undersøke om hvorvidt moloen kan fungere som et flytende kunstig rev. Eksperimentelle studier på modellen utføres i en bølgetank, hvor hovedparameterne som undersøkes er overflateporøsitet, vinkling mot overflaten og festemekanismer. Testene gjennomføres ved bruk av regulære bølger over forskjellige frekvenser og et JONSWAP irregulært bølgespekter, på totalt 8 porøse konfigurasjoner og én referansemodell. Bølgetransmittering, bølgerefleksjon, bevegelser, fortøyningskrefter og hydrauliske mekanismer undersøkes. Resultatene peker på svake egenskaper i forhold til bølgetransmittering for lange bølger, sammenlignet med andre flytende moloer. Bevegelser grunnet innkommende bølger er den dominerende begrensende faktoren for moloens prestasjon. Lavere vinkling fører til mindre transmittering av bølgeenergi grunnet økning i bølgebrytning. Porøsitet for festemekanismer som tillater bevegelser gir ingen endring i bølgetransmittering, økning i bølgerefleksjon, reduserte fortøyningskrefter, reduserte bevegelser og økt oksygentilførsel i vannet på innsiden og utsiden av modellen. For fastspent festemekanisme er bølgetransmittering og -refleksjon redusert ved porøse konfigurasjoner. Videre undersøkelser av design er anbefalt, og flere forslag til endringer og framtidig testing er presentert.

The world is facing bigger risks due to the climatic changes than previously described, including sea level rise and extreme weather conditions. The climatic changes have also caused substantial damages and increasingly irreversible losses in coastal and open marine ecosystem. Adaptions that decelerate the trend is a crucial remedy. Floating breakwaters are an established alternative to conventional rubble-mound breakwaters, where such a construction is unfavourable due to economical, environmental and practical constraints. The typical areas of use are those exposed to primarily wind waves as floating breakwaters do generally have a poor performance against long period swell waves.

This study presents a new design for a floating breakwater. The concept of the breakwater can be divided into a wave attenuating part and a biodiversity enhancing part, where the physical design play a role in both parts. The breakwater body will be inclined to the water surface in order to mimic a beach, with the purpose of making incoming waves shoal and break. The surface will be porous and partially permeable with the purpose of disturbing the flow over the volume as well as creating an aerated turbulence in, and around, the volume. The potential to implement bioenhancing features will be discussed and tested in order to investigate whether the breakwater can act as an artificial floating reef. Experimental studies are conducted on a physical model in a wave flume, where the main parameters of the tests will be surface porosity, inclination and fixations. Tests will be conducted using regular waves distributed over different frequencies and an irregular JONSWAP wave spectrum on a total of 8 porous configurations and one reference case. Wave transmission, wave reflection, body motion, mooring forces and hydraulic mechanisms are investigated. The results present a weak performance in terms of wave transmission for long waves, compared to other floating breakwaters. Body motions due to incident waves are the main limiting factor. Lower inclination leads to a decreased wave transmission due to increased wave breaking. Added porosity for fixations that allows movements, leads to no change in wave transmission, increased wave reflection, decreased mooring forces, decreased body motions, and enhanced aeration in and around the body. For rigid fixations, wave transmission and -reflection is reduced for porous configurations. Further investigations of the design are recommended, and several propositions for design changes and future testing are presented.