開孔傾斜平板消波效果試驗研究

王國玉,趙唯佼,項竹青,朱干城

(大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024)

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開孔傾斜平板消波效果試驗研究

王國玉,趙唯佼,項竹青,朱干城

(大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024)

對開孔傾斜平板在二維規則波作用下的消波效果進行了物理模型試驗研究,在平板與靜水面夾角為±15°的情形下,比較分析了平板開孔率為0%、10%、20%和30%時,其對波浪反射系數、透射系數的影響以及能量衰減系數隨著相對寬度(平板寬度與波長之比)的變化關系。研究結果表明,兩種不同夾角情形下,傾斜平板在與靜水面成15°時的消波效果要優于-15°,相對寬度和開孔率均影響平板的消波效果。

平板;開孔率;波浪;消波;試驗研究

透空式防波堤是一類下部透空、上部連續的擋浪結構,可以使堤前波浪的能量大部分不能向堤后傳播。透空式防波堤結構由Weigel[1]于1961年提出,近年來逐漸被重視,國內外許多學者對其進行了研究。Yip等[2]基于線性波浪理論,在運用達西基本定理的基礎上對小角度傾斜淹沒帶孔薄板進行了研究。Liu等[3]對短波與淹沒水平板(有限厚度)的相互作用機制進行了理論分析,并求解得到了相應的解析解。Williams等[4]基于Wiener-Hopf和殘數積分方程的一種新的聯合求解方式從理論上分析了淹沒半無限長彈性板與線性波的作用機制。張志強[5]基于線性波浪理論,運用邊界單元方法,研究了不同組合形式的水平板式防波堤在深水情況下的水動力特性,給出了波浪反射系數、透射系數和板寬與波長之比以及相對板間距之間的關系。Stoker[6]對一塊水平板始終固定在自由水面時的波浪入射進行了研究,得到了長波入射條件下的反射系數和透射系數公式。Ijima等[7]運用波浪色散方程將特征值展開,研究了有限水深情況下浮于自由水面的水平板繞射問題,通過理論分析和物理模型試驗探究了水平板防波堤的消浪效果。Hattori[8]進行了淹沒水平板的試驗研究,在將水平板分別處于水面、水面下1/4水深、水面下1/2水深等3種不同情形下研究其消浪性能。Siew等[9]研究了淹沒水平板附近長波的反射和透射特性,將水平板所在空間劃分為上、下、前、后4個單一區域,得到了反射和透射所滿足的控制方程組。Brossard等[10]通過試驗論證了水平板淹沒深度與試驗水深比以及波數對反射系數和透射系數的影響,試驗中采用移動式波高儀觀測并研究了試驗過程中的能量轉換機制。Rao等[11]對淹沒水平板進行了全面的物理模型試驗研究。劉丹[12]借鑒前人的研究成果,對由2種不同寬度組成的水平板防波堤消浪結構進行了物理模型試驗,研究了板寬與波長之比以及波高與波長之比對該類結構消浪效果的影響,對反射系數和透射系數進行了分析。Burke[13]基于Wiener-Hopf的傅里葉變換方法對微幅波與淹沒水平板作用下的散射現象進行了理論分析,運用數學公式對反射系數和透射系數進行了描述。Patarapanich[14]運用數值計算方法對淹沒水平板的消波性能進行了計算,得到了零反射以及最大反射系數與水平板寬與波長之比、水平板淹沒深度與試驗水深之比、試驗水深與波長之比的關系。Nallayarasu等[15]在淹沒水平板的研究基礎上,運用有限元數值計算方法研究了有限深度情況下的淹沒傾斜水平板的波浪力問題。王科[16]運用數值方法模擬了波浪與淹沒水平板的相互作用,發現板寬與波長之比以及水平板淹沒深度與水深之比是影響該類結構消波效果最重要的兩個因素。同時還進行了相應的物理模型試驗來研究此類結構的特性,得到了波浪經過水平板的透射曲線,以及最佳消浪效果的試驗條件。

上述研究工作大多是針對波浪與實體平板結構的相互作用而開展的。另外,有研究[17-18]表明,實體結構開孔對于改善其水動力學性能有很大的貢獻。為此,本文對不同傾斜角度的平板結構在不同開孔率條件下的消浪效果進行試驗研究。

1 物理模型試驗

物理模型試驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室的波流水槽中進行,水槽尺寸為22 m×0.45 m×0.6 m (長×寬×高)。水槽前端裝有電機式造波機,可產生平穩、重復性好的規則波,水槽末端安裝有消能網,用于吸收波浪能量,減少波浪反射。

試驗過程中的波面歷時數據由大連理工大學海岸及近海工程國家重點實驗室自主研制生產的LG-30型浪高儀進行采集。LG-30型浪高儀的測量量程為0.30 m,絕對誤差小于0.001 m,試驗前對所有參與測定波面的浪高儀進行標定,其線性度大于0.999,滿足試驗精度要求。

試驗水槽中模型及儀器的布置如圖1所示。平板透空式防波堤模型放置于水槽中間偏后的位置,模型前布置1號和2號兩個浪高儀,間距Δl1=0.210 m,模型后布置3號和4號兩個浪高儀,間距Δl2=1.470 m,分別同時記錄這4點的波面數據。對1號和2號浪高儀測得的數據通過Goda兩點法[19],分離入射波高和反射波高,可得出模型對波浪的反射系數。對于3號和4號浪高儀測得的波面數據,通過上跨零點法統計波高并取平均值作為透射波高,從而確定透射系數。

圖1 試驗水槽示意圖

實體平板透空式防波堤模型平面圖如圖 2(a)所示,其對應開孔率為零，圖2(b)(c)(d)分別是開孔率為10%、20%和30%的開孔平板模型平面圖。平板材料均采用寬度為450 mm、厚度為10 mm的有機玻璃制作。在板材的四角開孔,4根螺紋桿分別由四角的空洞穿過,上下由螺母固定,螺紋桿焊接在底部鐵板上,這樣就構成了平板透空式防波堤(圖3)。試驗中,將模型放置在水槽底部,同時通過上方的支架將模型緊固,保證模型在波浪作用下不發生變形和位移。

圖2 平板透空式防波堤模型平面圖(單位：mm)

圖3 制作好的試驗模型照片

物理模型試驗采用規則波浪,波要素如下:試驗水深為0.4 m,波浪高度分別為0.04 m、0.08 m;波浪周期分別為0.73 s、0.91 s、1.10 s、1.28 s和1.46 s,對應的波長分別為0.83 m、1.25 m、1.70 m、2.12 m和2.53 m。

試驗中的主要物理參數包括:水深h,波高H，周期T，波長L,平板與靜水面的夾角θ,開孔率e,平板寬度W,反射系數Kr,透射系數Kt,波能衰減系數Kd。

模型試驗分別對θ為15°和-15°的平板透空式防波堤模型進行了觀測,開孔率分別為0%、10%、20%、30%。每組試驗重復3次,取其平均值作為最后試驗結果。試驗中采用的采樣間隔為0.02 s,采樣數為1 024個。

圖4(a)和圖4(b)分別給出了15°和-15°布置時平板透空式防波堤的試驗照片。試驗可以觀察到由于結構與波浪的相互作用,波浪形態發生改變甚至破碎,波能衰減,從而起到消波的作用。在不同周期的入射波作用下,能量衰減的程度不同,消波效果有明顯差異,波浪周期較短時,波浪破碎現象明顯,消波效果顯著。與15°布置時不同,當平板布置成-15°時,其對波浪的反射作用明顯增強,模型前波面起伏變化較大,透過模型后的波浪幅值降低,但經過平板結構時,波浪破碎的現象并不明顯。

圖4 平板透空式防波堤試驗照片

2 試驗數據分析

對于采集到的模型前面的波面歷時數據,由Goda兩點法,可將模型前面的入射波高Hi和反射波高Hr分離,從而得到平板對波浪的反射系數為

(1)

對于采集到的模型后面的波面歷時數據通過上跨零點法,可統計得到模型后面的透射波高Ht,進而得到平板對波浪的透射系數為

(2)

另外,在考慮波浪總能量時,可以定義波能衰減系數為

(3)

波能衰減系數反映了結構物對波浪能量的耗散和損失能力,Kd值越大,表明波浪經過結構物時,由于波浪破碎等原因引起的波浪能量損失越大。

物理模型試驗主要對比分析了15°平板透空式防波堤與-15°平板式透空式防波堤的消波性能,并探討了開孔率等因素對消波效果的影響。

2.1 15°和-15°平板結構消波性能對比

進行了0.04 m波高時,15°平板透空式防波堤和-15°平板透空式防波堤的消波性能觀測。圖5給出了不同開孔率的平板結構在不同波浪周期條件下對波浪的反射系數隨著相對寬度W/L變化的試驗結果。結果表明：15°平板透空式結構的反射系數Kr隨著相對寬度的增大逐漸變小，當開孔率為20%和30%時,其對波浪的反射系數較小,約為0.1；-15°平板透空式結構的反射系數Kr隨著相對寬度的增大先增大后逐漸變小,且在相對寬度約為0.25時,即平板的水平寬度約為1/4波長時出現峰值；在開孔率一致的條件下,與15°平板透空式結構相比,-15°平板結構對波浪的反射系數較大,這與試驗中觀察到的現象是一致的；隨著開孔率的增加,由于結構的透水性增強，15°和-15°平板結構對波浪的反射作用均減弱,反射系數降低。

圖5 平板對波浪的反射系數隨相對 寬度的變化(H=0.04 m)

圖6給出了15°和-15°時不同開孔率的平板結構在不同周期波浪作用下對波浪的透射系數隨著相對寬度的變化。15°和-15°兩種情形下,平板結構對波浪的透射系數的變化規律較為一致,均隨著相對寬度的增大而減小,表明結構在短周期波浪作用下掩護效果較佳。對于開孔率為0%的實體平板結構,在相對寬度大于0.25時,可以使透射系數降低至0.5以下。比較而言,15°平板結構的消波效果優于-15°平板結構。隨著平板開孔率的增加,波浪的透射作用逐步增強。當開孔率達到30%時,對于-15°的平板結構,在試驗范圍內,其對波浪的透射系數均大于0.5。

圖6 平板對波浪的透射系數隨相對 寬度的變化(H=0.04 m)

圖7 平板對波浪的能量衰減系數隨相對 寬度的變化(H=0.04 m)

圖7給出了15°和-15°時不同開孔率的平板結構在不同周期波浪作用下對波浪的能量衰減系數隨著相對寬度的變化。總體上看,能量衰減系數隨著相對寬度的增加而變大,表明這種傾斜的平板結構對于短周期波浪的能量耗散作用更強。并且,隨著開孔率的增加,兩種情形下單層平板對波浪能量的耗散作用減弱。比較而言,15°平板結構對波浪能量的衰減作用要強于-15°平板結構。

同時進行了0.08 m波高時,15°平板透空式防波堤和-15°平板透空式防波堤的消波性能觀測,其規律性與入射波高為0.04 m時較為類似。

2.2 開孔率對平板結構消波性能的影響

為了進一步探討平板結構的開孔率對其消波性能的影響規律,對不同開孔率的平板對波浪的反射系數、透射系數以及能量衰減系數進行了比較分析。

以入射波高H=0.04 m為例,圖8給出了不同周期入射波浪作用下15°和-15°平板對波浪的反射系數隨著開孔率e的變化。在平板與靜水面夾角為15°時,平板在靜水面附近形成一個15°的緩坡,波浪傳播至平板位置時,部分波浪被反射回去,在平板上方,波浪由于發生淺水變形而產生破碎等現象,波浪能量因而衰減,透射波高降低。在平板與靜水面夾角為-15°時,平板在靜水面附近形成一個“楔形”的結構,波浪傳播到該位置時,由于“楔形”平板的阻擋作用,結構對波浪的反射作用較強,表現出反射系數較15°時有所增大,最大反射系數在平板不開孔時可達0.6。兩種布置方式下,隨著開孔率的增加,平板對波浪的反射作用均減弱,反射系數亦隨之降低。比較而言,θ=-15°時,隨著開孔率的增加,平板對波浪的反射系數降低較快。

圖8 平板對波浪的反射系數隨開孔率的 變化(H=0.04 m)

圖9給出了入射波高為0.04 m時,不同周期入射波浪作用下15°和-15°平板對波浪的透射系數隨著開孔率的變化。比較明顯的是,隨著開孔率的增加,波浪的透射作用增強,兩種布置方式下,平板的透射系數均有所增大。對于周期較短的波浪,如T=0.73 s情形,在試驗選取的開孔率范圍內(0%～30%),透射系數大多可降低至0.5以下。

圖9 平板對波浪的透射系數隨開孔率的 變化(H=0.04 m)

圖10 平板對波浪的能量衰減系數隨開孔率的 變化(H=0.04 m)

圖10給出了入射波高為0.04 m時,不同周期入射波浪作用下15°和-15°平板對波浪的能量衰減系數隨著開孔率的變化。很明顯,隨著開孔率的增加,單層平板的透水性增強,兩種布置方式下平板對波浪能量的耗散作用均減弱。并且,對于不同周期的入射波浪,平板對波浪的能量衰減作用明顯不同。當入射波浪周期比較小時,如T=0.73 s時,Kd大于0.7。這表明,對于T=0.73 s的短周期波浪,傾斜的單層平板在開孔率0%～30%的范圍內,均可以衰減掉70%以上的波浪能量,對于T=0.91 s的入射波浪,也可以衰減掉50%以上的波浪能量。

3 結 語

通過物理水槽中的規則波試驗,對開孔傾斜平板的消波效果進行了初步研究。在平板與靜水面成15°和-15°兩種情形下,得到了不同開孔率時平板對波浪的反射系數、透射系數以及能量衰減系數隨著相對寬度的變化關系。試驗現象和數據表明,-15°平板對波浪的反射作用較強,15°平板對波浪能量的耗散作用更強,消波效果更優。開孔率對平板的消波效果有較大影響。對于短周期的入射波浪,在本試驗的開孔率范圍內,可衰減50%以上的波浪能量。

平板開孔后,盡管波浪的透射作用增強,但作用在平板上的波浪力有所降低。作為后續研究工作,開孔平板上的波浪力將是主要內容,在消波效果和結構受力之間的平衡將成為工程人員關注的焦點。

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Experimental study on wave-damping performance of porous inclined plate//

WANG Guoyu, ZHAO Weijiao, XIANG Zhuqing, ZHU Gancheng

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

The wave-damping performance of a single perforated and inclined plate was explored through physical model tests under two-dimensional regular waves. In the tests, the plate is installed with angles of 15° and -15°, and porosity ratios of 0%, 10%, 20%, and 30%, respectively. The variation of the reflection, transmission, and energy dissipation coefficients with the relative width (the ratio of plate width to wave length) are also presented. The results demonstrate that an inclined plate with an angle of 15° can dissipate more energy than that with an angle of -15°. The relative width and the porosity ratio both influence the wave-damping performance.

plate; porosity ratio; wave; wave-damping; model test

中央高校基本科研業務費專項(DUT15TD42)

王國玉(1977—),男,副教授,博士,主要從事海岸工程研究。E-mail:wanggyu@dlut.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.01.004

O353.2

A

1006-7647(2017)01-0022-05

2015-11-20 編輯：駱 超)