螺旋槳洗流在實(shí)體式碼頭前沿砂質(zhì)海床上的間歇沖刷試驗(yàn)研究

施 雨，李俊花，劉文白，韓定均

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

螺旋槳洗流在實(shí)體式碼頭前沿砂質(zhì)海床上的間歇沖刷
試驗(yàn)研究

施 雨，李俊花，劉文白，韓定均

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

隨著高功率發(fā)動(dòng)機(jī)在船舶上的使用以及船舶機(jī)動(dòng)性能的提高，螺旋槳洗流在實(shí)體式建筑物周圍的沖刷正逐漸成為沖刷研究的重要內(nèi)容之一。首先自行研發(fā)了一套一體化試驗(yàn)設(shè)備，之后利用該設(shè)備進(jìn)行了螺旋槳洗流對(duì)實(shí)體式碼頭砂質(zhì)海床的間歇性沖刷試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)d50=0.7 mm的原型砂土海床的間歇沖刷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在同等試驗(yàn)條件下,與連續(xù)沖刷相比，間歇沖刷會(huì)加深沖刷坑的深度，加深范圍介于1.3%～24.8%；間歇沖刷時(shí)單次沖刷時(shí)間長(zhǎng)度越短，沖刷次數(shù)越多，沖刷深度加深的越明顯；且隨著螺旋槳到碼頭面距離的增大，間歇沖刷引起的沖刷深度的增加越明顯。最后提出了最大間歇沖刷深度的定量預(yù)測(cè)方法，該方法可為實(shí)體式碼頭前沿砂質(zhì)海床的間歇沖刷防護(hù)提供理論支撐。

螺旋槳洗流；間歇沖刷；沖刷深度；砂質(zhì)海床

螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)加速周圍水流的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)射流，即洗流。當(dāng)洗流遇到實(shí)體式建筑物的限制時(shí)，導(dǎo)致洗流流向的變化而沖擊建筑物前面的海床，從而引發(fā)建筑物前面海床的沖刷，Hamill(1999)[1]將這類問(wèn)題歸結(jié)為螺旋槳的洗流沖刷。早期階段的研究主要針對(duì)無(wú)結(jié)構(gòu)物存在時(shí)螺旋槳洗流對(duì)砂質(zhì)底床的沖刷(Romisch 1977[2]、Verhey et al. 1983[3]、Hamill 2004[4])。李勇[5]等人通過(guò)增加碼頭岸壁和基床底面2個(gè)邊界條件，同時(shí)變化螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，使射流場(chǎng)更接近實(shí)際情況。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，影響螺旋槳洗流沖刷特征的因素主要包括密度弗汝德數(shù)、射流雷諾數(shù)、螺旋槳的直徑以及螺旋槳底部距離海床面的高度。近期的研究主要針對(duì)結(jié)構(gòu)物的存在對(duì)螺旋槳洗流沖刷的影響。Chin(1996)[6-7]使用平面射流代替螺旋槳洗流研究了結(jié)構(gòu)物附近射流引發(fā)的沖刷，但他并未給出平衡沖刷深度的預(yù)測(cè)公式。Laurens (2002)[8]、Ayse (2005)[9]等研究了砂質(zhì)海床上樁基礎(chǔ)的存在對(duì)螺旋槳洗流沖刷的影響。謝智凱 (2004)[10]、陳民杰 (2006)[11]等分別研究了岸壁到螺旋槳的距離對(duì)沖刷的影響，試驗(yàn)結(jié)果很好的驗(yàn)證了Hamill (1999)[1]的觀點(diǎn)。但相關(guān)研究都是針對(duì)砂質(zhì)海床在螺旋槳洗流作用下的連續(xù)沖刷，未考慮沖刷的間歇性。在工程實(shí)際中考慮到船舶停泊或起錨的隨機(jī)性，螺旋槳洗流對(duì)海床造成的沖刷不可能一次性連續(xù)完成，而是間歇的或不連續(xù)的逐漸達(dá)到累積的平衡沖刷狀態(tài)。將螺旋槳工作的間歇性加以考慮可使研究更符合實(shí)際，也會(huì)增加人們對(duì)沖刷機(jī)理的完整性認(rèn)識(shí)。

本文通過(guò)物理試驗(yàn)方法進(jìn)行不同工況下螺旋槳洗流的沖刷試驗(yàn)，在物理試驗(yàn)的基礎(chǔ)上再利用ORIGIN軟件對(duì)沖刷情況進(jìn)行模擬，研究間歇性沖刷與連續(xù)沖刷的異同及不同間歇沖刷時(shí)間對(duì)間歇沖刷最大沖刷深度的影響，找到兩者最大沖刷深度的相對(duì)變化范圍，進(jìn)一步得出定量預(yù)測(cè)最大間歇沖刷深度的經(jīng)驗(yàn)公式。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)裝置為一小型水箱，如圖1所示。水箱由試驗(yàn)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)3部分組成。

試驗(yàn)系統(tǒng)由水箱和排水管道組成，水箱的長(zhǎng)、寬和高分別為2 m、1.2 m和1.2 m，水箱的壁面采用鋼化玻璃制作，以便觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，水箱的前端壁面A擬定為重力式碼頭。

圖1 試驗(yàn)儀器Fig.1 Test instrument

動(dòng)力系統(tǒng)由移動(dòng)支架和螺旋槳軸承固定系統(tǒng)組成。在水箱長(zhǎng)軸方向的光桿軌道上，設(shè)置支架的目的一方面是用于搭載螺旋槳軸承固定系統(tǒng)，另一方面支架可帶動(dòng)螺旋槳沿水箱的長(zhǎng)軸方向和豎直方向移動(dòng)以便控制螺旋槳距離碼頭壁面的水平距離和距離海床面的高度。該系統(tǒng)由電機(jī)、軸承和變頻器組成，變頻器與電機(jī)相連，電機(jī)與軸承相連，軸承的前端固定有螺旋槳。分別為三相異步電機(jī)和變頻器。電機(jī)輸出功率為0.75 kw，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)到2 800 rpm。與電機(jī)相匹配的變頻器可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

測(cè)試系統(tǒng)由軌道以及軌道上搭載的量測(cè)設(shè)備組成。沿水箱的兩個(gè)長(zhǎng)邊方向各安裝一根長(zhǎng)度為2.3 m的滾珠絲桿軌道，沿短邊方向安裝長(zhǎng)度為1.4 m滾珠絲桿軌道。短邊方向的軌道一方面用于搭載豎直方向的軌道和地形測(cè)量?jī)x，另一方面可控制豎直方向的軌道以及地形測(cè)量?jī)x沿短邊方向移動(dòng)。長(zhǎng)邊方向的軌道一方面用于搭載短邊方向的軌道，另一方面可控制短邊方向的軌道沿長(zhǎng)邊方向移動(dòng)?？刂栖壍酪苿?dòng)設(shè)備包括步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制器，量測(cè)設(shè)備三維地形測(cè)量系統(tǒng)。三維地形測(cè)量系統(tǒng)用以獲取海床地形圖。

1.2螺旋槳特征參數(shù)選擇

Rajaratnam(1981)提出，在螺旋槳洗流的沖刷試驗(yàn)中只要Rej>104，就可以忽略流體粘性的影響。Rej按(1)式計(jì)算

(1)

式中:V0為螺旋槳的出口流速；Dp為螺旋槳的直徑；v為流體的運(yùn)動(dòng)粘度(水在15℃的運(yùn)動(dòng)粘度為1.141×10-6m2s )。Blaauw(1978)[12]等給出V0可以按(2)計(jì)算

(2)

式中：n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速，rps；Ct為螺旋槳的推力系數(shù)；Dp為螺旋槳的直徑，m。

依據(jù)Qurrain(1994)[13]對(duì)英國(guó)港口的調(diào)查結(jié)果，對(duì)海床造成沖刷的典型螺旋槳的直徑范圍在1.5～3 m之間，轉(zhuǎn)速大約為200 rpm。本實(shí)驗(yàn)采用Lam(2010)[14]在實(shí)驗(yàn)中采用的Dp=2.5 m、Ct=0.35以及n=200 rpm 的螺旋槳作為原型。利用式(2)計(jì)算出原型螺旋槳的出口流速為4.93 ms。

試驗(yàn)中重點(diǎn)對(duì)螺旋槳的動(dòng)力相似進(jìn)行研究，并得出沖刷規(guī)律，暫不考慮泥沙起動(dòng)、沉降等相似條件。實(shí)體式碼頭的粗糙率相對(duì)于螺旋槳洗流對(duì)海床沖刷的影響較小，所以試驗(yàn)中采用玻璃板進(jìn)行模擬，粗糙度對(duì)沖刷試驗(yàn)的影響忽略不計(jì)。

試驗(yàn)中擬采用的螺旋槳直徑為150 mm。根據(jù)弗汝德數(shù)相似準(zhǔn)則可得到模型螺旋槳出口流速的計(jì)算公式為

(3)

再結(jié)合式(2)可得到實(shí)驗(yàn)中采用的模型螺旋槳的轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)中采用螺旋槳的特征參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)中擬采用的螺旋槳的特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of propeller to be used in experiment

表2 實(shí)驗(yàn)中擬采用的螺旋槳的雷諾數(shù)Tab.2 Reynolds number of propeller to be used in experiment

依據(jù)實(shí)驗(yàn)中采用的螺旋槳的轉(zhuǎn)速得到相應(yīng)的雷諾數(shù)見(jiàn)表2。

從表2可以看出，實(shí)驗(yàn)中采用的螺旋槳的雷諾數(shù)均超出104，因此流體粘性的影響可以忽略。試驗(yàn)中設(shè)定螺旋槳轉(zhuǎn)速700 rpm，此時(shí)對(duì)應(yīng)的螺旋槳的出口流速為1.04 ms。

1.3顆粒級(jí)配分析

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB_T50123-1999》，對(duì)碼頭前沿海床土體進(jìn)行土顆粒級(jí)配分析，通過(guò)篩分法得到小于某粒徑土顆粒的百分比含量，從而得出土的級(jí)配曲線(如圖2)，取出d10、d30、d60，測(cè)得不均勻系數(shù)Cu≥5且曲率系數(shù)1≤Cc≤3，根據(jù)《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ145-90)，試驗(yàn)所用土顆粒屬于粗粒砂土且級(jí)配良好。該土的中值粒徑為d50=0.7 mm。

圖2 實(shí)驗(yàn)用土顆粒級(jí)配分析Fig.2 Analysis of soil size grading in experiment

2 連續(xù)沖刷試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)工況

根據(jù)螺旋槳到碼頭面距離將試驗(yàn)工況分為3種，如表3所示。

2.2連續(xù)沖刷

定義：某一個(gè)螺旋槳在位于海床面某一高度、距離水箱壁面A某一位置處，在事先設(shè)定好的某一個(gè)轉(zhuǎn)速下開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)的螺旋槳在水中產(chǎn)生洗流，洗流遇到壁面A時(shí)產(chǎn)生反射，反射的水流沖擊壁面A前方的海床面從而引發(fā)沖刷，螺旋槳一直運(yùn)轉(zhuǎn)下去直到形成穩(wěn)定的沖刷坑為止，這個(gè)沖刷過(guò)程稱為連續(xù)沖刷。

表3 沖刷試驗(yàn)工況Tab.3 Scouring test conditions

連續(xù)沖刷的試驗(yàn)過(guò)程如下所述：

(1)在水箱底部鋪設(shè)280 mm厚的土樣。

(2)往水箱中注入850 mm高度的水。讓土樣在水壓的作用下靜置48 h。

(3)固定螺旋槳。將螺旋槳放置在槳葉底部邊緣距離海床面高度C=150 mm、距離水箱A壁面的距離分別取500 mm、900 mm和1 200 mm。

(4)設(shè)定螺旋槳轉(zhuǎn)速。通過(guò)設(shè)定變頻器將螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)定為700 rpm，讓螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)，直到壁面A前面的沖刷坑穩(wěn)定為止。

(5)通過(guò)WEET測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行沖刷坑的數(shù)據(jù)采集。

依照上述步驟進(jìn)行連續(xù)沖刷試驗(yàn)。觀察到在開(kāi)啟螺旋槳的瞬間，緊鄰碼頭面底部的砂土表面發(fā)生較為明顯的淘刷現(xiàn)象，可清晰觀察到大量的砂土顆粒沿螺旋槳軸向及切向發(fā)生迅速的位移，海床面逐漸形成明顯的凹陷與凸起，隨著時(shí)間的推移，沖刷速度逐漸減緩，最終形成穩(wěn)定的沖刷坑。

2.3模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文物理模型的合理性，本小節(jié)首先采用Hamill G. A., Johnston H.T. and Stewart D.P.[1]給出的螺旋槳在直立式碼頭前沿引發(fā)砂土海床面沖刷深度的預(yù)測(cè)公式進(jìn)行計(jì)算，之后與模型實(shí)測(cè)的最大沖刷深度進(jìn)行比較。

將實(shí)驗(yàn)參數(shù)代入上述公式算出計(jì)算沖刷深度，將3種工況下的計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)際沖刷深度進(jìn)行比較，可得在表4可以看出，本實(shí)驗(yàn)3種工況下的計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)際沖刷深度的偏差率為工況3下的10.1%到工況1下的23.5%。

表4 計(jì)算沖刷深度與實(shí)測(cè)沖刷深度比較Tab.4 Comparison between calculated scour depth and measured scour depth

3 間歇沖刷試驗(yàn)

3.1間歇沖刷

定義：當(dāng)某一螺旋槳或多個(gè)螺旋槳在間歇運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，在水箱A壁面前面海床處形成沖刷的過(guò)程稱為間歇沖刷。而將螺旋槳一次連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間稱為間歇沖刷時(shí)間。間歇沖刷總時(shí)間指的是從沖刷開(kāi)始到觀察到海床面不再?zèng)_刷的時(shí)間長(zhǎng)度，不是事先規(guī)定的時(shí)間。

間歇沖刷的試驗(yàn)過(guò)程基本與連續(xù)沖刷一致，但是步驟4先讓螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)間歇沖刷時(shí)間，然后停止，隔一段時(shí)間以后再次啟動(dòng)螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)間歇沖刷時(shí)間，本試驗(yàn)采用的間歇沖刷時(shí)間分別為2 min和3 min，重復(fù)這個(gè)過(guò)程直至形成穩(wěn)定的沖刷坑。

圖1 螺旋槳平面布置圖Fig.1 Propeller layout

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2、圖3和圖4分別給出了3種工況下連續(xù)沖刷與間歇沖刷時(shí)螺旋槳軸面最大沖刷深度的對(duì)比圖。圖中，實(shí)線表示的是連續(xù)沖刷時(shí)的平衡沖刷深度，虛線表示的是間歇沖刷時(shí)的平衡沖刷深度；橫坐標(biāo)表示離開(kāi)碼頭面的距離，縱坐標(biāo)表示沖刷過(guò)后水箱底部泥沙厚度。從這3幅圖中可以看出：無(wú)論是連續(xù)沖刷還是間歇沖刷，最大的沖刷坑都在碼頭面處，即圖1的B點(diǎn)處；同等試驗(yàn)條件下，間歇沖刷時(shí)引發(fā)的最大沖刷深度比連續(xù)沖刷引發(fā)的最大沖刷深度要深。

由表5得出：對(duì)應(yīng)3種工況下，相比于連續(xù)沖刷，間歇沖刷都會(huì)在不同程度上加深沖刷的形成。最大沖刷量的加重百分比隨著螺旋槳到碼頭距離按照1 200 mm、900 mm、500 mm的順序依次為24.8%、10.7%、1.3%?？梢悦黠@看出，沖刷量的加重百分比在不同工況下的差異十分明顯，且隨著螺旋槳到碼頭面的距離減小，加重百分比依次減小。

圖5給出了間歇沖刷時(shí)間為2 min及3 min時(shí)的最大沖刷深度的對(duì)比圖。圖中，實(shí)線表示的是間歇沖刷時(shí)間為2 min時(shí)的平衡沖刷深度，虛線表示的是間歇沖刷時(shí)間為3 min時(shí)的平衡沖刷深度；橫坐標(biāo)表示離開(kāi)碼頭面的距離，縱坐標(biāo)表示沖刷過(guò)后水箱底部泥沙厚度。從圖中可以看出：間歇沖刷總時(shí)間相同的情況下，間歇沖刷時(shí)間越短，沖刷次數(shù)越多，沖刷坑的深度越深。

圖2連續(xù)與間歇沖刷對(duì)比(1200mm)Fig.2Comparisonofcontinuousscouringandintermittentscouring(1200mm)圖3連續(xù)與間歇沖刷對(duì)比(900mm)Fig.3Comparisonofcontinuousscouringandintermittentscouring(900mm)圖4連續(xù)與間歇沖刷對(duì)比(500mm)Fig.4Comparisonofcontinuousscouringandintermittentscouring(500mm)圖5間歇沖刷不同沖刷時(shí)間對(duì)比(500mm)Fig.5Comparisonofscouringtimeofintermittentscouring(500mm)

4 間歇沖刷深度預(yù)測(cè)方法

表5 不同工況下最大沖刷量對(duì)比圖(mm)Tab.5 Comparison of the maximum scouring amount under different test conditions

本小節(jié)首先對(duì)各工況下間歇沖刷時(shí)不同位置坐標(biāo)下的最大平衡沖刷深度以及螺旋槳到碼頭面的水平距離進(jìn)行了無(wú)量綱化處理，然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，在此基礎(chǔ)上獲得間歇沖刷時(shí)最大平衡沖刷深度的預(yù)測(cè)方法。

圖5 不同坐標(biāo)下間歇與連續(xù)沖刷擬合曲線Fig.5 The intermittent and continuous scouring fitting curve under different coordinates

從圖5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以看出，Y的值隨X的正方向依次呈現(xiàn)指數(shù)形式的單調(diào)遞減狀態(tài),因此可以通過(guò)指數(shù)函數(shù)來(lái)擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。設(shè)定指數(shù)函數(shù)關(guān)系式后，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)反復(fù)擬合后得出間歇沖刷時(shí)最大平衡沖刷深度的預(yù)測(cè)公式為

(4)

5 結(jié)論

本文通過(guò)螺旋槳洗流在實(shí)體式碼頭前沿砂土海床上間歇沖刷試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)提出了一種螺旋槳洗流沖刷試驗(yàn)新方法，并通過(guò)模型驗(yàn)證保證其可靠性。

(2)最大的平衡沖刷深度位于螺旋槳軸線與碼頭面相交的位置處。

(3)與同等試驗(yàn)條件下的連續(xù)沖刷相比，間歇沖刷會(huì)加深沖刷坑的深度，且加深的范圍介于1.3%～24.8%之間，隨著螺旋槳到碼頭面距離的增大，間歇沖刷引起的沖刷深度的增加越明顯。

(4)提出了預(yù)測(cè)螺旋槳間歇沖刷時(shí)最大沖刷深度的經(jīng)驗(yàn)公式。該公式為無(wú)量綱公式，可推廣應(yīng)用到實(shí)際螺旋槳洗流的間歇沖刷情況中。

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Experimental study on intermittent propeller wash scour near solid wharf on the sandy seabed

SHIYu,LIJun-hua,LIUWen-bai,HANDing-jun

(CollegeofOceanScienceandEngineering,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai201306,China)

With the use of high power engine on the ship and the improvement of ship performance, the scour of propeller washing around the solid building is becoming one of the important parts of the washing research. Firstly, a set of integrated test equipment was developed in this paper. Then the study on the intermittent scouring of thed50=0.7 mm-sandy seabed near the solid quay was carried out by using the equipment. It is found that the ultimate scour depth in intermittent souring is deep in comparison with continuous scouring, and the deepening range is from 1.3% to 24.8% under the same experimental conditions. The scour depth is deeper when the length of a single scouring time is shorter and scour times are more. And the larger the distance from the propeller to the wharf surface is, the greater the increase of scour depth caused by intermittent scour is. Finally, a method for quantitative prediction of intermittent scour depth was proposed to provide the theoretical support for the protection against intermittent scour on the sandy seabed near the solid wharf.

propeller scour; intermittent scour; scouring depth; sandy seabed

2017-02-13；

2017-03-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(51209133)

施雨(1992-)，女，上海市人，碩士研究生，主要從事港口、海岸及近海結(jié)構(gòu)、巖土工程方面研究。

Biography：SHI Yu(1992-),female, master student.

TV 142；U 65

A

1005-8443(2017)05-0458-06