基于PIV技術(shù)不同形式防波堤周圍渦旋場特性研究

郄祿文，杜闖，張翔，蔣學(xué)煉

（1.河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002；2.天津城市建設(shè)學(xué)院 天津 300384）

PIV（Particle Image Velocimetry），又稱粒子圖像測速法，是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的一種瞬態(tài)、多點、無接觸式的基于流場圖像分析的非接觸式二維流場測量技術(shù)。PIV技術(shù)的特點是超出了單點測速技術(shù)（如LDV）的局限性，能在同一瞬態(tài)記錄下大量空間點上的速度分布信息，并可提供豐富的流場空間結(jié)構(gòu)以及流動特性。PIV技術(shù)除向流場散布示蹤粒子外，所有測量裝置并不介入流場，有能夠?qū)崿F(xiàn)無擾動精確有效測量二維流場的流速分布形式的特點。粒子成像測速技術(shù)是流場可視化研究中的一個最新發(fā)展，它是伴隨著光纖、微電子、激光、數(shù)字信號處理和圖形圖像處理等高新技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前在各領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛。

多年來，渦旋波流動的理論和應(yīng)用研究一直受到很多學(xué)者的關(guān)注。但由于早期實驗流體力學(xué)理論和測試技術(shù)的限制，以前的研究者大都采用相機對流場進行拍照的實驗手段，對渦旋波流場進行了一些定性的分析和比較，還未能獲得渦旋波形成機理的精確描述。Pedley等（1985）用平行光對上壁面周期性壓縮的槽道內(nèi)流體進行拍照，觀察并得到了渦流波流場的靜態(tài)照片。Sobey（1985）用配有250W閃光燈的尼康相機在周期震蕩的流體經(jīng)過的槽道中，用熒光珍珠粉作為示蹤粒子，在柯達膠卷上拍攝了渦旋波流場的靜態(tài)照片，定性的分析了渦旋波流場的特性。PIV技術(shù)在不干擾槽道內(nèi)部原始流場分布的狀態(tài)下進行流速測定，具有較高的準(zhǔn)確度和精確性。劉鳳霞等（2006）運用PIV技術(shù)分析出渦旋波流場的速度和剪力分布。劉愛華等（2006）運用PIV技術(shù)分析了渦流中間包流場的特性，分析得出了一些重要的結(jié)果。董敏（2007）利用PIV技術(shù)研究破碎波對直墻建筑物作用過程，對破碎波作用力特點進行研究。龍曉警（2009）研究了PIV技術(shù)在水槽波浪中的研究，分析了整個測試流場的瞬時速度場。袁德奎（2004）對半圓型防波堤水動力學(xué)特性進行了數(shù)值模擬的方法和應(yīng)用研究。劉長根等人研究了用時變雷諾方程模擬孤立波與有臺階的半圓型防波堤的相互作用，并研究了SPH方法在水波與半圓型防波堤之間作用。

深水防波堤周圍流場存在復(fù)雜的紊動變化，防波堤較容易發(fā)生破壞。本文采用PIV流場測試技術(shù)，對周期性規(guī)則波流經(jīng)防波堤槽道所對應(yīng)的流場進行了實驗測試研究，獲得了規(guī)則波流場的瞬時速度分布。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析和整理，定量地研究了防波堤堤身前后渦旋波流場的特性。

1 實驗設(shè)計與參數(shù)

1.1 實驗布置與流程

實驗在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室進行。實驗流程見圖1、圖2。實驗裝置主要由四部分組成：槽道、往復(fù)泵，PIV系統(tǒng)和外觸發(fā)裝置。槽道由有機玻璃制成，以實現(xiàn)流動可視（圖 3）。

實驗?zāi)Ｐ蛿M采用三種堤型：直立堤、1/4圓弧堤、半圓堤斷面型式（圖4-圖6）。

圖1 PIV系統(tǒng)示意圖

圖2 PIV實驗流程圖

圖3 實驗現(xiàn)場圖

圖4 直立堤斷面示意圖

圖5 1/4圓弧堤斷面示意圖

圖6 半圓堤斷面示意圖

表1 防波堤實驗波浪水力條件

如圖7試驗時的采集點位于No.4和No.5，當(dāng)圖左側(cè)造波機開始造波，波浪經(jīng)過No.5號波高儀，并在終端上反應(yīng)出3個完整波浪周期圖像時，開始采集；當(dāng)終端屏幕上全部呈現(xiàn)周期規(guī)則波浪圖像時，停止采集。波高儀采集間隔0.02 s，數(shù)據(jù)截選時間16 s，即800次的樣本采集所得到的數(shù)據(jù)區(qū)間。圖7右側(cè)采用碎石搭建斜坡，用于消減回浪，避免二次浪干擾實驗數(shù)據(jù)。

1.2 渦量的定義

渦量是一個矢量，在數(shù)值上等于速度矢量的旋度，其定義如下：

式中：Ω為流場中量測點上的渦量值，U、W分別為水質(zhì)點的水平速度與垂直速度，而其計算的方法則是利用中心差分而得：

圖7 實驗布置示意圖

其中：Ωp為位置在（i，k）時之渦度值，i，k分別代表x，z方向的陣列碼。Ωp為正值時，表示渦流逆時針旋轉(zhuǎn)；Ωp為負值時，表示渦流順時針旋轉(zhuǎn)。

2 實驗數(shù)據(jù)處理及分析

利用PIV技術(shù)方法，本實驗對6種工況進行斷面波浪實驗，每種工況采集45個瞬時（間隔0.15 S）時刻各測點的速度值，采樣區(qū)測點數(shù)目分布為48×35=1 680個測點。對測點速度值和渦量值進行分析，得到該時刻速度場圖和渦量場等值線圖。

2.1 速度與渦量的相對關(guān)系

通過對計算機采集的測點實驗數(shù)據(jù)，可得每一時刻各測點的速度值，并進而可計算觀測區(qū)各點渦量及渦量場的分布。圖8是半圓堤在第一種水力狀態(tài)下的同一幀的速度場，渦量場云圖和渦量場的對比。

由圖8可以觀察得出速度集中和速度變化率較高的地方，容易形成渦量值高的區(qū)域。同時也印證了前面的公式，速度與渦量之間的內(nèi)在聯(lián)系。

2.2 波面過程與渦量分布

試驗時PIV都采集3 S，為得到大約3個周期的過程，對應(yīng)45幀則是每幀間隔1/15 S。波面和PIV圖像是同時采集的，但位置并不完全重疊。波高儀可監(jiān)測反射系數(shù)和透射系數(shù)，以便比較不同渦流情況下的反透射變化。波高儀采集次數(shù)為800次，間隔0.02 S。如圖9所示。

實驗測得半圓堤波面過程曲線和渦量值代數(shù)均值曲線，如圖10、圖11、圖12所示。

以上結(jié)果看出，渦量代數(shù)均值曲線和波面過程曲線并不重合，并得到如下規(guī)律：

圖9 采集數(shù)據(jù)區(qū)域圖

圖10 水力條件1下半圓堤迎、背浪面波況與渦量代數(shù)均值曲線

圖11 水力條件2下半圓堤迎、背浪面波況與渦量代數(shù)均值曲線

圖12 水力條件4下半圓堤迎、背浪面波況與渦量代數(shù)均值曲線

（1）堤前波面過程曲線與堤后曲線呈相反分布。

（2）波浪的波高變化并不會改變渦量代數(shù)均值曲線和波面過程曲線的相關(guān)性，但相關(guān)性變得更加明顯。

（3）波浪的不同周期影響了原有渦量代數(shù)均值曲線和波面過程曲線的相關(guān)性。

2.3 渦量數(shù)值特性分析

2.3.1 隨機測點渦量代數(shù)值分析

為了探討渦量值的形成規(guī)律，分析半圓堤背浪面隨機挑選不同行不同列測點（同列測點1，測點2，測點3的水深是依次加大；同行測點1，測點2，測點3依次遠離防波堤），在采樣時間段內(nèi)的堤前與堤后渦量值曲線圖，采樣時間內(nèi)的渦量代數(shù)值曲線具有相同的規(guī)律，同列測點間的曲線滿足同一規(guī)律，曲線的走向近似相同。1/4圓弧堤、直立堤情形呈現(xiàn)相同規(guī)律。

圖13 半圓堤同行、同列隨機測點渦量代數(shù)值曲線圖

2.3.2 渦量代數(shù)值最值分析

隨后對相同水力條件下三種防波堤迎浪面和背浪面的渦量最值進行分析。在采樣區(qū)間內(nèi)，分別得出每一幀的最大值和最小值曲線圖，如圖14、圖15所示。

三種防波堤的實驗結(jié)果定量分析表明，迎浪面區(qū)域，半圓堤產(chǎn)生的渦量最大值和最小值分別是1/4圓弧堤的86%和117%。背浪面區(qū)域，半圓堤產(chǎn)生的渦量最大值和最小值分別是1/4圓弧堤的40%和30%，直立堤產(chǎn)生的渦量最大值和最小值分別是1/4圓弧堤的31%和33%。

2.3.3 渦量均值分析

對水力條件1下，三種防波堤在采樣區(qū)間內(nèi)每一幀上所對應(yīng)的采樣區(qū)間上所產(chǎn)生的渦量均值進行分析。將45幀平均值繪成曲線圖，如下：

圖14 半圓堤、1/4圓弧堤、直立堤迎浪面最值曲線圖

圖15 半圓堤、1/4圓弧堤、直立堤背浪面最值曲線圖

由圖16可以看出，均值曲線均呈現(xiàn)出正弦曲線的特性，堤前較堤后特征更加明顯。可見，防波堤背浪面貼近防波堤表面的地方，渦旋運動非常微弱，遠離防波堤處，底部渦旋運動變得劇烈；迎浪面情況正好與之相反，貼近海面渦量波動劇烈。其他部位測點渦量波動基本一致，并且變化平緩。

2.3.4 不同波高下渦量代數(shù)值分析

對于同種防波堤，不同水力條件下，渦量的數(shù)值差異研究，本次試驗選取了半圓堤，在僅改變波高的情況下，進行數(shù)值差異研究（圖17、18）。

圖16 防波堤迎浪面、背浪面渦量均值曲線

由圖17、圖18可以看出，波高和渦量代數(shù)極值成正相關(guān)關(guān)系。波高越高，產(chǎn)生的極大值越大（極小值越?。?。均值曲線呈正弦曲線特征，迎浪面數(shù)值曲線相對背浪面數(shù)值曲線較平穩(wěn)，特征較明顯。

2.3.5 不同周期下，三種防波堤的渦量特性分析

分別選取水力條件1和4的實驗數(shù)據(jù)進行渦量數(shù)值分析（圖19）。

由圖19可以看出，當(dāng)波浪的周期減小時，半圓堤和1/4圓弧堤所產(chǎn)生的渦量積累相應(yīng)的增加，而直立堤的曲線反映出來的情況正好相反，會隨著周期的減小渦量的積累相應(yīng)的減少。所有的代數(shù)均值曲線均反映正弦曲線特征。隨著波浪周期降低，在防波堤背面會生成更多的渦量，1/4圓弧堤和直立堤曲線特征表現(xiàn)的比較明顯，呈現(xiàn)出正弦曲線的特征。周期的改變對正弦曲線的波動情況影響很大，兩條曲線之間近似差了半個周期的距離。

隨著波浪周期降低，堤前區(qū)域產(chǎn)生了較少的渦旋運動，而堤后正好相反。波浪周期的改變對渦量曲線的周期影響不明顯。由圖20可以得出，當(dāng)周期從1.223 s降低為0.996 s（約減少18.6%），渦量代數(shù)均值曲線的振幅，半圓堤平均約增加的16%，直立堤平均約減少4.5%。

圖17 半圓堤迎浪面三種波高下渦量最小值、最大值、均值曲線

2.4 不同防波堤背浪面渦流形成與分布特性分析

對于三種防波堤而言，渦量的形成的阻礙效果各不相同。而在同種波況下，渦量值偏高的區(qū)域也各不相同。

圖18 半圓堤背浪面三種波高下渦量最小值、最大值、均值曲線

對于半圓防波堤來說，正渦量區(qū)域多集中在采樣區(qū)的左上部，即貼近防波堤背浪面的區(qū)域（圖21-1）。而負渦量區(qū)域多集中在采樣區(qū)的中場地帶（圖21-2）。即遠離防波堤的背浪面處多產(chǎn)生順時針渦旋，中場地帶多產(chǎn)生逆時針渦旋。而這些渦旋分布隨著時間的推移也會產(chǎn)生相應(yīng)的移動，正渦量區(qū)會向近堤方向移動，原區(qū)域變?yōu)樨摐u量區(qū)（圖21-3）。一段時間后正渦量區(qū)又會回到原位，負渦量區(qū)回到中場。對于半圓防波堤來說，整個采樣時間段內(nèi)出現(xiàn)0渦量區(qū)域的時間較少（圖21-4），采樣區(qū)間大多時間內(nèi)受到渦旋的影響。

圖19 半圓堤、1/4圓弧堤、直立堤背浪面渦量對比

圖20 不同水力條件半圓堤、直立堤渦量均值對比

圖21-1 半圓堤1幀渦量場

圖21-2 半圓堤6幀渦量場

圖21-3 半圓堤15幀渦量場

圖21-4 半圓堤31幀渦量場

對于1/4圓堤來說，正負渦量區(qū)間常伴隨出現(xiàn)，并沒有明顯的正渦量區(qū)和負渦量區(qū)。開始時正負渦量區(qū)間共同出現(xiàn)在采樣區(qū)的左上側(cè)，即遠離防波堤背浪面（圖22-1）。隨后共同向采樣區(qū)中上部移動（圖22-2），到逐漸消失，最后又回到初始位置（圖22-3）。整個周期相對于半圓堤較長。另外相對于半圓防波堤，在整個采樣時間段內(nèi)，采樣區(qū)域中部為0渦量區(qū)域的時刻增多（圖22-4），在采樣區(qū)域內(nèi)渦旋生成相對于半圓防波堤較弱。

對于直立堤來說，正負渦量區(qū)域分布在采樣區(qū)上部（圖23-1），范圍較小，正負渦量區(qū)伴隨出現(xiàn)，隨著時間的推移正負渦量區(qū)域逐漸變小（圖23-2），經(jīng)過一段時間后恢復(fù)初始狀態(tài)（圖23-3）。相對于半圓堤和1/4圓堤，直立堤的采樣區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了最多的0渦量區(qū)，即采樣區(qū)間內(nèi)形成渦旋的區(qū)域也相對較少。

圖22-1 1/4圓堤1幀渦量場

圖22-2 1/4圓堤10幀渦量場

圖22-3 1/4圓堤42幀渦量場

圖22-4 1/4圓堤13幀渦量場

圖23-1 直立堤1幀渦量場

圖23-2 直立堤5幀渦量場

圖23-3 直立堤26幀渦量場

3 結(jié)論

本文利用PIV技術(shù)，基于模型實驗，對規(guī)則波作用下防波堤表面的速度流場及其渦流特性進行了實驗研究，通過對不同型式防波堤在不同的水力條件下的波浪流場實驗數(shù)據(jù)的分析，定量地研究了防波堤堤身水域的渦旋流場的水力特性。

（1）區(qū)域內(nèi)受到的波浪運動與區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的渦量成相關(guān)性，這種相關(guān)性受到波浪周期和頻率的影響；防波堤會改變這種相關(guān)性。

（2）區(qū)域內(nèi)同一時刻產(chǎn)生的渦量正負極值是對稱出現(xiàn)的。

（3）防波堤迎浪面貼近防波堤表面的地方，渦旋運動非常劇烈，遠離防波堤處，底部渦旋運動變得微弱，貼近海面渦量波動劇烈。迎浪面情況正好與之相反。

（4）波高和渦量代數(shù)極值成正相關(guān)關(guān)系。周期的增加會影響渦量的積累和產(chǎn)生。周期越小渦旋運動愈多，但是積累增加不大。渦量的均值曲線也滿足正弦性質(zhì)，并且堤前部分特性更加明顯。

（5）防波堤底部因渦旋作用對堤底造成滑移影響，1/4圓弧堤較為劇烈，半圓堤次之，直立堤最弱。

（6）三種防波堤在同種水力條件下，在背浪面采集區(qū)域內(nèi)，渦旋運動的遷徙方向和聚集分布基本相似，但是渦旋形成的劇烈程度和渦旋的大小卻各不相同。直立堤相對其他兩種堤型，背浪面采樣局域內(nèi)渦旋運動相對較弱，遷徙周期相對較短。

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