矩形箱柔性膜組合體透射性能的試驗研究

王明玉 吳靜萍* 關(guān) 超 湛 鵬 盤 俊

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢船用機械有限責(zé)任公司2) 武漢 430084)

0 引 言

相對于固定大壩式防波堤，浮式防波堤受水深和海床條件的限制較小，造價低，具有不影響水質(zhì)交換，不破壞海洋生物生活環(huán)境的優(yōu)點[1-4].

浮式防波堤的消波性能受其結(jié)構(gòu)形式的影響較大.矩形箱防波堤是具有代表性的浮式防波堤結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)簡單、造價相對低廉，除消波外還可兼作道路、倉庫、錨船或漁碼頭等.陳力[5]通過試驗研究了固定方式下二維矩形箱浮式防波堤的消波特性，研究發(fā)現(xiàn),相對寬度B/L是影響其消波效果的首要因素,且浸深越大，消波效果越好.

為了提高消波性能，在矩形箱基礎(chǔ)上增加剛性附體的結(jié)構(gòu)形式不斷被提出.Neelamani等[6]通過在浮箱底部增加豎直板可以顯著減小波透射或減小浮堤寬度.通過引入三或五個豎直板，可以將寬度減小20%～40%.王永學(xué)等[7]通過物理模型試驗研究了規(guī)則波作用下垂直導(dǎo)樁錨固方箱-水平板式浮堤模型的消波性能，得出：方箱下加水平板使反射系數(shù)增加，使透射系數(shù)降低.

隨著浮式防波堤不斷研究和發(fā)展，提出了將柔性材料應(yīng)用于浮式防波堤的特殊結(jié)構(gòu)形式.由于柔性材料不僅可以擾亂水質(zhì)點的運動軌跡，還可以將波能轉(zhuǎn)化為自身的柔性運動并消耗波能，因此，得到許多專家學(xué)者的關(guān)注和研究.Hermanson[8]通過物理模型試驗研究了浮體下懸掛豎直柔性膜的消波性能，研究發(fā)現(xiàn)柔性膜可提供12%～17%的優(yōu)化.鄭啟航等[9-11]提出一種新型的框架帶孔薄膜浮式防波堤單元體，通過物理試驗研究表明該防波堤具有良好的消能效果.

為更好的提高浮式防波堤的消波性能，改善消波效果，在學(xué)習(xí)前人研究的基礎(chǔ)上，提出了矩形箱與柔性膜組合體的浮式防波堤，通過系列物理模型試驗來探究該組合體的透射性能.

1 物理模型試驗設(shè)備及方案

1.1 試驗設(shè)備

模型試驗在武漢理工大學(xué)交通學(xué)院流體力學(xué)實驗室的小型推板式波浪水槽中進行，水槽長18 m、寬0.6 m、深0.8 m，波浪水槽見圖1a).水槽首端采用推板造波，水槽末端放置U形折角板及由方形浮板和柔性帆布組成的組合式浮體消波裝置，用于分流和耗散波能，減少池壁反射.水槽末端的消波裝置見圖1b).

圖1 試驗設(shè)備和消波裝置

測量波高所使用的浪高儀為YWH200-DXX數(shù)字浪高儀，量程為300 mm，誤差在0.5%以內(nèi).試驗時，兩只浪高儀分別布置在模型前后各1.5 m處，記為P1和P2.浪高儀安裝示意見圖2.

圖2 浪高儀安裝位置示意圖

1.2 試驗方案

試驗?zāi)Ｐ陀芯匦蜗?模型一)、矩形箱與0.6 m單層柔性膜組合體(模型二)、矩形箱與1.2 m單層柔性膜組合體(模型三)及矩形箱與雙層柔性膜組合體(模型四)，每個模型的矩形箱的尺寸相同.

1) 矩形箱為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，長59.5 cm、寬24 cm、高36 cm；使用螺栓將鉆孔的鐵片與鋼架結(jié)構(gòu)連接，將矩形箱剛性固定在水槽鋼架之上，通過螺栓和鋼架上的滑道，以調(diào)節(jié)矩形箱的浸深.

2) 矩形箱與單層柔性膜組合體模型是通過矩形箱與PVC柔性膜組合，柔性膜的長度分別為0.6 m和1.2 m.

3) 矩形箱與雙層柔性膜組合體的柔性膜長度同樣為0.6 m和1.2 m，柔性膜組合為雙層.

1.3 試驗參數(shù)

試驗波浪參數(shù)見表1.

表1 模型試驗波浪參數(shù)表

1.4 透射系數(shù)的處理方法

透射系數(shù)是透射波高與入射波高之比，即

Kt=Ht/Hi

式中：Ht為透射波高；Hi為入射波高.

為了減小試驗結(jié)果誤差，對入射波高和透射波高的處理將采用三種不同的選取方式.方式一：根據(jù)浪高儀測量的入射波和透射波選取五個較均勻的入射波和透射波，它們的時間范圍可以不對應(yīng)；方式二：入射波和透射波均選取五個，時間范圍對應(yīng)；方式三：入射波和透射波均選取三個，時間范圍對應(yīng).計算所選取的入射波和透射波的波高平均值，即為入射波高Hi和透射波高Ht，具體計算表達式為

式中：Hj為圖框中單個波形的波高；N為選取的入射波個數(shù).

式中：Hj為圖框中單個波形的波高；N為選取的透射波個數(shù).

圖3～5為波長L=1.681 m、波高H=0.050 43 m和波陡H/L=0.03在P2位置處的入射波和透射波波形圖.其中入射波形是在無模型的情況下測得，透射波形是在有模型的情況下測得.得到的結(jié)果將以誤差帶的形式給出.

圖3 波高選取方式一

圖4 波高選取方式二

圖5 波高選取方式三

2 試驗結(jié)果分析

2.1 矩形箱透射性能研究

2.1.1相對寬度B/L對透射系數(shù)Kt的影響

圖6 兩種浸深條件下模型一的透射系數(shù)Kt隨B/L的變化

由圖6可知，相對寬度對模型一的透射系數(shù)的影響比較明顯，增大相對寬度可以減小透射系數(shù)，且波長越小，透射系數(shù)越小.當(dāng)浸深為0.06 m時，相對寬度大于0.20時，透射系數(shù)可以降低至0.5以下；當(dāng)浸深為0.12 m，相對寬度大于0.15時，透射系數(shù)可以降低至0.5以下.

2.1.2寬度吃水比B/d和相對浸深d/L對透射系數(shù)Kt的影響

矩形箱寬度B為0.24 m，寬度吃水比為B/d=2和4，在d=0.06 m和d=0.12 m不同浸深，波陡為H/L=0.03的條件下，探究寬度吃水比B/d和相對浸深d/L對模型一的透射系數(shù)Kt的影響.圖7為兩種寬度吃水比下模型一的透射系數(shù)Kt隨相對浸深d/L的變化情況.

圖7 兩種寬度吃水比下模型一的透射系數(shù)Kt隨d/L的變化

由圖7可知，模型一的透射系數(shù)均隨著相對浸深d/L值的增大而逐漸減小，波長越小，透射系數(shù)越小.在同一相對浸深的情況下，寬度吃水比大的透射系數(shù)明顯減小.

2.1.3波陡H/L對透射系數(shù)Kt的影響

選取浸深分別為d=0.06 m和d=0.12 m，波陡為H/L=0.03和H/L=0.05，探究波陡H/L對模型一的透射系數(shù)Kt的影響.圖8為兩種浸深、兩種波陡下透射系數(shù)Kt隨B/L的變化.

圖8 兩種浸深、兩種波陡下模型一的透射系數(shù)Kt隨B/L的變化

由圖8可知，在浸深d=0.06 m和d=0.12 m時，模型一的透射系數(shù)在兩種波陡條件下的變化趨勢基本相同，當(dāng)d=0.06 m時兩種波陡下透射系數(shù)大小相近，當(dāng)d=0.12 m時兩種波陡下透射系數(shù)大小也相近，說明在該試驗條件下波陡對模型一的透射系數(shù)影響不大.

2.2 矩形箱與單層柔性膜組合體透射性能研究

2.2.1柔性膜長度對透射系數(shù)Kt的影響

積雪樹連天，曉月山外山。少年們跳入淙淙流水的時刻，黃梁驛里其他客人，瓦匠大叔們、紅紫秀才、胖捕快一家，龍精虎壯的黑驢已馱著他們走遠，當(dāng)最后一抹夜色由搖擺的驢尾上退去的時候，春窗曙滅九微火，九微片片飛花瑣，他們已經(jīng)能夠看見驢頭前面，啟明星下，展開的江南未曾凋謝的綠樹，未曾落雪的青山，蕎麥青碧的平原。

選取波陡為H/L=0.03，分別在d=0.06 m和d=0.12 m不同浸深條件下，探究矩形箱懸掛的不同柔性膜長度0.6和1.2 m對透射系數(shù)的影響.圖9為兩種浸深條件下矩形箱懸掛不同柔性膜長度時透射系數(shù)Kt隨B/L的變化情況.

圖9 兩種浸深下矩形箱懸掛不同柔性膜長度透射系數(shù)Kt隨B/L的變化

由圖9可知，在0.06和0.12 m浸深的條件下，懸掛1.2 m柔性膜相對于懸掛0.6 m柔性膜的組合體對于提高防波堤的消波效果并不明顯.尤其在浸深為0.06 m，B/L在0.15～0.3范圍內(nèi)，增加柔性膜長度，透射系數(shù)反而變大.原因在于柔性膜長度的增加，柔性膜會隨著波浪一起運動，甚至隨著波浪一起造波，使得消波效果降低，從而使得堤后的透射波高變大.

2.2.2相對寬度B/L對透射系數(shù)Kt的影響

選取波陡H/L=0.03，浸深分別為d=0.06 m和d=0.12 m，柔性膜長度為1.2 m，探究相對寬度B/L對模型三的透射系數(shù)Kt的影響.圖10為兩種浸深條件下模型三的透射系數(shù)Kt隨B/L的變化情況.

圖10 兩種浸深條件下模型三的透射系數(shù)Kt隨B/L的變化

由圖10可知，隨著相對寬度的增大，模型三的透射系數(shù)逐漸下降，且波長越小，透射系數(shù)越小.當(dāng)浸深為0.06 m時，相對寬度大于0.2時，透射系數(shù)可以降至0.3以下；當(dāng)浸深為0.12 m，相對寬度大于0.15時，透射系數(shù)可以降至0.3以下.

2.2.3寬度吃水比B/d和相對浸深d/L對透射系數(shù)Kt的影響

選取波陡H/L=0.03 m，在d=0.06 m和d=0.12 m不同浸深，柔性膜長度為1.2 m條件下，探究寬度吃水比和相對浸深對模型三的透射系數(shù)的影響.圖11為兩種寬度吃水比下模型三的透射系數(shù)Kt隨d/L的變化情況.

圖11 兩種寬度吃水比下模型三的透射系數(shù)Kt隨d/L的變化

由圖11可知，模型三的透射系數(shù)均隨著相對浸深的增大而逐漸減小，波長越小，透射系數(shù)越小.在同一相對浸深的情況下，寬度吃水比大的透射系數(shù)小.

2.2.4波陡H/L對透射系數(shù)Kt的影響

選取浸深分別為d=0.06 m和d=0.12 m，波陡H/L=0.03和H/L=0.05，柔性膜長度為1.2 m，探究波陡對模型三的透射系數(shù)的影響.圖12為兩種浸深、兩種波陡下模型三的透射系數(shù)Kt隨B/L的變化.

圖12 兩種浸深、兩種波陡下模型三的透射系數(shù)Kt隨B/L的變化

由圖12可知，在浸深d=0.06 m和d=0.12 m時，模型三的透射系數(shù)在兩種波陡條件下的變化趨勢基本相同.當(dāng)d=0.06 m時兩種波陡下透射系數(shù)大小相近，當(dāng)d=0.12 m時兩種波陡下透射系數(shù)大小也相近，說明在該試驗條件下波陡對模型三的透射系數(shù)影響不大.

2.3 矩形箱與雙層柔性膜組合體透射性能研究

2.3.1相對寬度B/L對透射系數(shù)Kt的影響

選取波陡H/L=0.03，分別在0.06 m和0.12 m不同浸深條件下，探究相對寬度對模型四的透射系數(shù)的影響.圖13為兩種浸深條件下模型四的透射系數(shù)Kt隨B/L的變化情況.

圖13 兩種浸深條件下模型四的透射系數(shù)Kt隨B/L的變化

由圖13可知，隨著相對寬度的增大，模型四的透射系數(shù)逐漸減小，且波長越小，透射系數(shù)越小.當(dāng)相對寬度不變時，浸深越大，透射系數(shù)越小.

2.3.2寬度吃水比B/d和相對浸深d/L對透射系數(shù)Kt的影響

選取波陡為H/L=0.03，在0.06 m和0.12 m不同浸深條件下，探究寬度吃水比和相對浸深對模型四的透射系數(shù)的影響.圖14為兩種寬度吃水比下模型四的透射系數(shù)Kt隨d/L的變化情況.

圖14 兩種寬度吃水比下模型四的透射系數(shù)Kt隨d/L的變化

由圖14可知，模型四的透射系數(shù)均隨著相對浸深的增大而逐漸減小，波長越小，透射系數(shù)越小.在同一相對浸深情況下，寬度吃水比大的透射系數(shù)明顯減小.

2.3.3波陡H/L對透射系數(shù)Kt的影響

選取浸深分別為d=0.06 m和d=0.12 m，波陡H/L=0.03和H/L=0.05，探究波陡對模型四的透射系數(shù)的影響.圖15為兩種浸深、兩種波陡下模型四的透射系數(shù)Kt隨B/L的變化.

圖15 兩種浸深、兩種波陡下模型四的透射系數(shù)Kt隨B/L的變化

由圖15可知，模型四在浸深為0.06 m時，波陡大的透射系數(shù)較大，波陡的變化會影響該模型在0.06 m浸深時的透射系數(shù) ；在0.12 m浸深時，當(dāng)B/L小于0.2時，波陡大的透射系數(shù)較大，當(dāng)B/L大于0.2時，波陡對透射系數(shù)的影響不明顯.

2.4 不同模型透射系數(shù)比較

為了進一步比較上述四個消波模型的透射性能，本節(jié)將對這四個模型的透射系數(shù)作出比較.選取波陡為0.03，在0.06和0.12 m不同浸深條件下，探究模型一、模型二、模型三、模型四4個模型的透射系數(shù)Kt隨B/L的變化情況，見圖16.

圖16 兩種浸深0.03波陡下不同模型透射系數(shù)Kt隨B/L的變化

由圖16可知，模型二、模型三和模型四與模型一相比較，模型二、模型三和模型四可以很明顯的提高消波效果，減小透射系數(shù)；模型二和模型三使透射系數(shù)的減小幅度明顯；模型四相對于模型二和模型三可以使透射系數(shù)繼續(xù)減小，但繼續(xù)減小的幅度并不明顯.當(dāng)浸深在0.06 m時，柔性膜對消波效果的影響明顯，其中，模型四的消波效果要比模型二、模型三的消波效果好.當(dāng)浸深在0.12 m時，柔性膜組合體同樣能夠提高消波效果，但柔性膜長度以及柔性膜層數(shù)對于消波效果的影響不大，尤其是在較小波長范圍內(nèi).

3 結(jié) 論

1) 隨著矩形箱寬度的增加，透射系數(shù)減小.

2) 矩形箱懸掛柔性膜可以提高消波性能，減小透射系數(shù).懸掛兩層柔性膜雖然相對于單層膜組合體可以使透射系數(shù)繼續(xù)減小，但是繼續(xù)減小的效果不明顯.

3) 增加柔性膜長度對于提高防波堤的消波效果不明顯.在一定波長范圍內(nèi)，柔性膜長的透射系數(shù)反而變大.

4) 相對浸深增加，透射系數(shù)減小；同一相對浸深，寬度吃水比大的透射系數(shù)較小.

5) 波陡對矩形箱的透射系數(shù)影響較小；波陡對矩形箱與0.6 m單層柔性膜組合體的透射系數(shù)影響明顯，波陡大時透射系數(shù)較大；矩形箱與雙層柔性膜組合體在0.06 m浸深時，波陡大的透射系數(shù)較大，在0.12 m浸深時，波陡對透射系數(shù)的影響不明顯.