柔性格柵式防波堤消波性能試驗研究

鄒昊男 吳靜萍 楊師宇

(武漢理工大學船海與能動工程學院1) 武漢 430063) (高性能船舶技術教育部重點實驗室2) 武漢 430063) (中國船舶集團有限公司第七〇三研究所3) 哈爾濱 150078)

0 引 言

防波堤是一種為遮掩水域提供一個安全、穩定可靠的停泊和作業環境的海上消波裝備.傳統的坐底式防波堤從水底基礎開始建造,因工程造價高、施工難度較大和阻斷水質交換等因素而被水面式防波堤替代.相較于傳統的坐底式防波堤,水面式防波堤具有低成本、運輸便利、不受海底地質條件和水深的影響等優點,通常可以快速地為臨時施工的水域形成一種安全、可靠、穩定的作業環境.通過對波浪能量分布的研究,人們發現深水波浪的能量主要集中在水面和水下3倍波高的區域.水面防波堤的消波主體主要位于水面附近,與波能分布特點相匹配[1],有效地利用了資源.新型水面式防波堤的研究一直受到了專家學者的關注.

目前,常見的水面式防波堤結構形式主要有浮箱式[2-3]、浮筒式[4-5]和浮筏式[6]等三種形式,雖然水面式防波堤形式多樣,但對較長周期海浪(涌浪)的消波效果缺乏經濟而有效的措施,還需要繼續尋找更優的消波結構形式.

水面式防波堤主要通過波浪反射、波浪干涉、波能被轉換或損耗消減波浪[7],在消減波浪時,消波主體的水平尺度和豎直尺度起關鍵作用.波長越長,尺度越大,如箱型浮式防波堤相對寬度超過0.35才能達到50%的明顯的消波效果[8].然而,水面式防波堤通常采用鋼筋混凝土等剛性材料建造,大型的消波主體不適合于靈活、臨時使用,并且一旦在惡劣海浪中被毀壞將造成二次災害.而柔性材料常用橡膠、合成材料和聚合物材料等,具有高強度的力學性能,質輕,適合大型建造,已經在不同的海洋裝備中得到應用.柔性膜材料在水面式防波堤中,已經展開了諸如張緊的豎直柔性膜[9]和水平膜[10]、充滿流體的柔性膜彈性囊、防波堤的柔性膜附體[11],以及框架形式等結構形式的研究和應用.

本文借鑒格柵在防風固沙上的成功應用,采用柔性材料制作格柵式防波堤, 采用柔性透明PVC板制作試驗模型,格柵由直立方格組成.改變格柵模型寬度和浸深,改變方格邊長,制作了6種模型,將模型固定在金屬框架上,在小型推板造波水槽中展開試驗研究.保持水深不變,保持模型出水高度不變,對6種模型展開了不同周期規則波和波陡的系列試驗.討論了格柵寬度、格柵浸深、格柵格子邊長在不同波陡和波浪周期下的透射系數變化規律,試驗結果表明:本文提出的柔性格柵式消波模型具有優良的消波性能.

1 模型試驗

1.1 試驗設備

本文物理模型試驗地點在武漢理工大學流體力學實驗室進行.小型波浪水槽全長18 m、寬0.6 m、高0.8 m,見圖1.水槽的一端安裝推板造波機,通過輸入波浪參數遠程驅動推板造波.水槽的另一端,為了盡可能減少池壁反射的作用,使水面快速恢復平靜,水槽末端配有U形設計、放置多層緩坡透空板作為水槽消波段的消波裝置.水槽壁面采用2 cm厚的鋼化玻璃,方便觀察試驗時水槽內部發生的現象.

圖1 波浪水槽照片

浪高儀為YWS200-DXX電容式數字浪高儀,最大量程為300 mm,測量絕對誤差為±1 mm.

試驗時,試驗模型固定在水槽試驗段,其中心距離造波板8.75 m,在模型前后布置浪高儀測量波面抬升.試驗時水槽布置示意圖見圖2.

圖2 波浪水槽試驗布置示意圖

文中物理試驗時,布置4支浪高儀,沿著波浪傳播方向分別以P1、P2、P3和P4依次命名.其中,P1和P2位于模型迎浪側,用來處理反射波和反射系數;P3和P4位于模型去浪側,用來處理透射波和透射系數.浪高儀P1放在距離造波板前緣6 m處,浪高儀P2距離模型中心1.75 m;浪高儀P3放在距離模型中心1.75 m處,浪高儀P4放在浪高儀P3后端1 m處的位置.

1.2 物理模型

采用柔性薄膜構造格柵,格柵的格子豎向貫通,格子水平面為邊長S相等的正方形,在迎浪側和去浪側黏上兩塊有機玻璃板.固定安裝的格柵模型見圖3.

柔性薄膜為透明軟質PVC材料,厚度1.5 mm,密度微大于水.有機玻璃板長56 cm、寬5 cm、厚5 mm,用膠水粘在柔性膜表面的上方,一方面減小柔性膜在波浪作用下的變形,另一方面輔助反射波浪.有機玻璃板和柔性薄膜材料見圖3.

圖3 柔性格柵模型安裝圖

鋁桿構造的剛性框架固定在水槽上.鋼片與柔性膜螺栓連接,將柔性格柵模型固定在框架上.另外,在固定試驗模型的框架上方增加與水槽長度方向平行的鋁桿,減小試驗模型在波浪作用下發生的搖擺.

為了討論模型寬度B、浸深d和格子邊長S對柔性格柵消波性能的影響,設計了6種試驗模型.模型尺度定義符號見圖4,具體數據見表1.其中,模型M1和M2用于討論模型寬度B的影響,M1、M3和M4討論浸深d的影響,M2、M5和M6討論格柵格子邊長S的影響.模型統一露出水面1 cm,波浪翻越時加強波浪破碎,消耗波浪能量,增加消波效果.格柵模型在水槽寬度方向的長度尺寸均為58.5 cm.除了留出的與水槽壁面之間的安裝縫隙,模型幾乎貫穿整個水槽寬度.

圖4 柔性格柵模型示意圖

表1 格柵試驗模型的尺度 單位:cm

1.3 波浪參數

表2 波浪參數

1.4 透射系數處理方法

透射系數Kt是透射波高Ht與入射波高Hi的比值,即:

Kt=Ht/Hi

(1)

浪高儀P3和P4用來處理透射波和透射系數.實際使用P3,P4備用.入射波高Hi采用無模型時,浪高儀P3所測得的穩定波高H的平均值.透射波高Ht采用有模型時,浪高儀P3所測得的穩定波高H的平均值.計算式為

(2)

(3)

式中:N為所選取的連續穩定入射波和透射波波段中波高H的個數.由于本文的水槽長度和試驗波長范圍的限制,取N=3.實際測量波形和波高計算見圖5.

圖5 浪高儀P3測量的波形和波高計算(T=1.2 s,H/L=0.02,Hi=35.42 mm,Ht=18.26 mm,Kt=0.52)

每次試驗重復做了兩次.由于水槽造波重復性很好,所以結果分析只采用其中一次.

2 試驗結果分析

2.1 模型寬度B的影響

模型M1和M2的浸深d=11 cm,格子邊長S=8 cm相同,但是它們的寬度B不同.M1的寬度B=40 cm,M2寬度B=48 cm.模型高度D=12 cm,出水高度為1 cm.

圖6為波陡H/L=0.02, 0.05下,透射系數Kt隨著無因次波浪參數kh的變化.

圖6 模型寬度B對透射系數Kt的影響

由圖6可知:模型M1和M2的透射系數Kt在波陡0.02和0.05下隨著kh增加而下降的變化趨勢大致相同,并且寬度B=48 cm的模型M2的透射系數Kt均小于寬度B=40 cm的模型M1.說明寬度越大,消波效果越好,這與水面式防波堤的消浪特性一致.另外,在kh>2.25的較小周期波情況下,模型M1和M2的透射系數Kt相趨于接近,說明此時模型M1和M2將小周期波幾乎完全消減了.

2.2 模型浸深d的影響

模型M1、M3和M4的寬度B=40 cm,格子邊長S=8 cm,但是他們的浸深d不同.分別為d=11,19,35 cm.它們的高度D也不同,分別為D=12,20,36 cm.出水高度均為1 cm.

圖7為波陡H/L=0.05, 0.08下,透射系數Kt隨著無因次波浪參數kh的變化.

圖7 模型浸深d對透射系數Kt的影響

由圖7可知:模型M1、M3和M4的透射系數Kt在H/L=0.05, 0.08下隨著kh的增加均呈現下降趨勢.浸深d=19 cm的模型M3的透射系數最小,而最大浸深d=35 cm的透射系數大于另外兩種浸深較小的模型.這說明,柔性格柵消波裝備存在最佳浸深,后續將進一步研究.發生這個現象的原因可能在于柔性體變形和擺動,以及波浪繞過模型底部的分離渦.

2.3 格子邊長S的影響

模型M2、M5和M6用于分析格子邊長的影響,格子邊長分別為S=8,16,24 cm.寬度B=0.48 m,浸深d=11 cm,D=12 cm,出水高度為1 cm.

圖8為波陡H/L=0.05下,透射系數Kt隨著相對寬度B/L的變化.

圖8 格子邊長S對透射系數Kt的影響

由圖8可知:模型M2、M5和M6的透射系數Kt在波陡0.05下都隨著B/L的增加呈現下降趨勢.很明顯,格子邊長S=24 cm的模型M6的透射系數最大,消波性能最差;格子邊長S=16 cm的模型M5的透射系數絕大多數B/L下是最小的.并且,格子邊長S=8 cm,16 cm的模型M2和M5,當相對寬度B/L<0.4時,透射系數Kt曲線幾乎重合,顯示出相近的消波性能.

2.4 波陡H/L的影響

選取模型M1和M2分析波陡H/L的影響.兩模型的寬度B不同,分別B=40,48 cm,其他幾何參數一樣,浸深d=11 cm,格子邊長S=8 cm.

圖9為模型M1和M2在波陡H/L=0.02,0.05和0.08下的透射系數Kt隨著無因次波浪參數kh值的變化趨勢.

圖9 波陡H/L對透射系數Kt的影響

由圖9可知:模型M1和模型M2的透射系數Kt在H/L=0.02,0.05和0.08下的變化趨勢仍然大致一致,并且波陡大的都是系數完全大于波陡小的.這說明模型在大波陡的消波效果比小波陡的差,這與水面式防波堤的一般消波特性一致.

3 結 論

1) 增加模型的寬度B可以降低透射系數Kt,提升模型的消波性能.但是,當kh較大時,模型寬度對于透射系數Kt的影響較小.

2) 在一定范圍內增加模型的浸深d同樣可以降低透射系數Kt,提升模型的消波性能.但是,當模型觸底時,模型的消波性能反而會變差.存在最佳浸深,后續進一步研究.

3) 在三個格子邊長S中,兩種較小的格子邊長,消波性能比較接近,而最大的格子邊長,消波性能最差.