實(shí)驗(yàn)水池弧形消波裝置孔隙率優(yōu)化試驗(yàn)研究

彭 程，張華慶，張慈珩，趙 鵬

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

在海洋工程領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)水池的核心技術(shù)之一是波浪模擬技術(shù)，波浪模擬的性能和精度是保證實(shí)驗(yàn)水池整體能力與水平的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)于波浪模擬，反射波是干擾其精確模擬的主要影響因素之一；消波裝置的作用在于最大程度消除實(shí)驗(yàn)水池中反射波的影響，因此消波裝置消浪效果的好壞直接影響了水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[1]。國(guó)內(nèi)外主要海工實(shí)驗(yàn)水池消波裝置大部分采用透空式消波結(jié)構(gòu)，此類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理主要應(yīng)用波能主要集中在水體上層這一波浪理論[2]。國(guó)內(nèi)外各研究學(xué)者關(guān)于透空式消波結(jié)構(gòu)的研究手段主要包括理論分析，數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)。在理論分析方面，Madsen[3]運(yùn)用線性波理論對(duì)波浪穿過(guò)直立式透空結(jié)構(gòu)的反射和透射系數(shù)的試驗(yàn)值進(jìn)行了良好的驗(yàn)證；Kyund等[4]采用特征函數(shù)展開(kāi)法研究明基床上開(kāi)孔沉箱對(duì)波浪的反射作用；Issacson[5]等應(yīng)用線性波理論建立數(shù)學(xué)模型對(duì)波浪與氣室內(nèi)填充碎石的開(kāi)孔透空結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行了模擬；Karim等[6]基于不可壓縮粘性流體運(yùn)動(dòng)理論,對(duì)波浪通過(guò)垂直孔隙結(jié)構(gòu)的傳播變形問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到結(jié)構(gòu)的寬度和孔隙率是結(jié)構(gòu)反射的主要影響因素；蘭波等[7]采用五種不同理論計(jì)算方法，對(duì)四種不同型式消波結(jié)構(gòu)的消波效果進(jìn)行了試驗(yàn)比較研究。在數(shù)值模擬方面，李世森等[8]基于FLOW3D有限差分求解程序建立數(shù)值波浪水槽模型，分析孔隙率和消波裝置長(zhǎng)度對(duì)消波性能的影響；耿寶磊等[9]基于勢(shì)流理論模擬直墻前透空薄板的組合參數(shù)G對(duì)波浪的反射系數(shù)、透射系數(shù)的影響進(jìn)行了計(jì)算分析；任喜峰等[10]基于sph方法模擬規(guī)則波與開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的相互作用，分析了結(jié)構(gòu)反射系數(shù)的影響因素；吳瑤瑤[11]利用N-S方程構(gòu)建了波浪與板式透空堤相互作用的數(shù)值模型，研究相對(duì)潛深、相對(duì)波高、相對(duì)板寬和結(jié)構(gòu)型式對(duì)透射系數(shù)的影響。在物理模型試驗(yàn)方面，Jarlan[12]對(duì)一種迎浪面擋板開(kāi)孔，中間為消能氣室，背側(cè)擋板不可滲的防浪結(jié)構(gòu)的消浪效果進(jìn)行了研究；戴冠英等[13]給出規(guī)則波與不規(guī)則波作用下研究開(kāi)孔直立墻與開(kāi)孔直立墻后帶有一道實(shí)體直立墻的結(jié)構(gòu)反射試驗(yàn)結(jié)果；嚴(yán)以新等[14]研究一種多層擋板透空式防浪結(jié)構(gòu)的消浪特性，通過(guò)試驗(yàn)分析出消浪效果的主要影響因素是擋板的透空率及設(shè)置方式；陳旭達(dá)等[15]討論了相對(duì)板間距、相對(duì)潛深對(duì)雙層水平板型防浪結(jié)構(gòu)的消波能力的影響；Huang等[16]比較分析了波浪在有實(shí)體后墻和無(wú)實(shí)體后墻的開(kāi)孔透空結(jié)構(gòu)的傳播和反射特性；LI等[17]探究了不同開(kāi)孔形狀和開(kāi)孔率的開(kāi)孔板的透射和反射系數(shù)的變化規(guī)律；張洪雨等[18]通過(guò)物模試驗(yàn)研究一種變孔徑傾斜孔板式消波裝置的孔板傾角和間距在不同波浪條件下對(duì)反射和透射系數(shù)的影響；胡偉等[19]通過(guò)試驗(yàn)研究了波高、周期和水深的變化對(duì)三種不同消波裝置消波能力的影響。

上述研究主要針對(duì)豎向孔隙薄板、帶孔水平剛性板以及水平板與豎直板相結(jié)合等結(jié)構(gòu)形式。相關(guān)研究成果表明：豎向孔隙結(jié)構(gòu)使水質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生垂向紊動(dòng)而消耗一部分波能，影響深水波浪的傳播前進(jìn)；水平孔隙結(jié)構(gòu)能破壞水質(zhì)點(diǎn)的豎向運(yùn)動(dòng)軌跡，使波浪發(fā)生淺水效應(yīng)，波浪通過(guò)孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生破碎，達(dá)到衰減波能的作用[20-22]。本文研究背景為擬建深水實(shí)驗(yàn)池消波系統(tǒng)的工藝論證工作，消波系統(tǒng)主要由弧形消波裝置和結(jié)構(gòu)后方的落水槽和循環(huán)水泵組成；弧形消波裝置結(jié)構(gòu)主體為帶孔隙的圓弧形斜坡，兼具了豎向孔隙結(jié)構(gòu)和水平孔隙結(jié)構(gòu)的消波特性，能同時(shí)破壞水質(zhì)點(diǎn)的橫向和豎向運(yùn)動(dòng)軌跡，達(dá)到較好的消波效果；本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究弧形消波結(jié)構(gòu)的消波特性，用反射系數(shù)評(píng)估消波裝置的消浪效果，重點(diǎn)探討消波結(jié)構(gòu)本身孔隙率的變化和孔隙率組合方式對(duì)消浪效果的影響，可為實(shí)驗(yàn)水池消波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型和優(yōu)化方式提供一定的參考。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和模型布置

試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院波浪水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)68 m，寬1.0 m，高1.5 m。水槽一端安裝有電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)推板吸收式造波機(jī)，可以產(chǎn)生規(guī)則波與不規(guī)則波。水槽兩端均設(shè)有消波裝置，同時(shí)水槽底部設(shè)有連通管，以使試驗(yàn)過(guò)程中模型兩側(cè)的水位保持不變。波高采用浪高儀測(cè)量，并應(yīng)用Goda兩點(diǎn)法[23]對(duì)波浪進(jìn)行入反射分離，以計(jì)算消波結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)。

圖1 模型實(shí)景照片弧形消波結(jié)構(gòu)圖及模型實(shí)體照片(單位：尺寸mm)Fig.1 Sketch and model photo of wave absorbing structure

圖2 模型示意及傳感器布置圖(單位：尺寸mm)Fig.2 Model diagram and sensor layout

本次試驗(yàn)按照正態(tài)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型，模型幾何比尺λ=5。選取弧形消波結(jié)構(gòu)放置在水槽中，該結(jié)構(gòu)由弧形孔隙板和承重墩臺(tái)組成，主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為2.5 m，高度為0.9 m，弧形孔隙板和主體結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)水槽同寬，為1.0 m，見(jiàn)圖1；弧形孔隙板曲率半徑為3.8 m，厚度為12 mm，表面孔隙率分別為20%，30%，40%和50%。試驗(yàn)中沿水槽中心線布置2個(gè)浪高儀，距離模型前端分別為1.7 m和2.0 m，滿足本次試驗(yàn)條件下應(yīng)用Goda兩點(diǎn)法的使用要求。模型示意及傳感器布置見(jiàn)圖2。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)水位d為0.5 m，入射波浪采用規(guī)則波，其中波高H變化范圍為0.03～0.12 m，周期T變化范圍為1.2～2.4 s。不同試驗(yàn)工況組合見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)波浪參數(shù)表Tab.1 Wave parameter in the experiment

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T234-2001)，在布置弧形消波模型之前對(duì)上述每組波浪進(jìn)行率定，率定點(diǎn)位于模型結(jié)構(gòu)中間位置。試驗(yàn)中忽略從造波機(jī)造出的前4～5個(gè)不穩(wěn)定波浪后再進(jìn)行采集，每組試驗(yàn)采集20個(gè)完整規(guī)則波波列進(jìn)行分析，另外為避免出現(xiàn)不穩(wěn)定結(jié)果，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。數(shù)據(jù)分析中，利用Goda兩點(diǎn)法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算弧形消波結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)KR。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單層孔隙板不同孔隙率對(duì)反射系數(shù)的影響

圖3 單層孔隙板不同孔隙率對(duì)反射系數(shù)的影響Fig.3 Results of different porosity on reflection coefficient of single layer pore plate

試驗(yàn)選取單層板弧形消波結(jié)構(gòu)的孔隙率分別為20%、30%、40%和50%，開(kāi)孔型式為條形，不同孔隙率對(duì)應(yīng)的表面孔隙間距見(jiàn)表2。不同孔隙率對(duì)反射系數(shù)的影響結(jié)果見(jiàn)表2，為方便讀者查看，用圖3表示試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)入射波浪要素不變時(shí)，隨著孔隙率由50%降低到30%，波浪在弧形板表面爬高增大，波能耗散，穿過(guò)弧形板表面孔隙進(jìn)入消波結(jié)構(gòu)內(nèi)部的波浪減少，因此經(jīng)模型后方直立墻返回的波浪也減小，最終表現(xiàn)為消波結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)減小。當(dāng)孔隙率達(dá)到最小為20%時(shí)，反射系數(shù)反而增大，這是由于弧形板的開(kāi)孔間距過(guò)小，大部分波浪不能穿過(guò)弧形板表面進(jìn)入消波結(jié)構(gòu)內(nèi)部而被弧形板直接返回，無(wú)法有效消耗波浪能量，加大了波浪的反射。因此，當(dāng)弧形板表面孔隙率為30%時(shí)，單層板弧形消波結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)最??；其中，第四組試驗(yàn) (H=0.12 m,T=1.2 s)時(shí)的反射系數(shù)達(dá)到最小值，為0.13。

表2 孔隙板不同孔隙率對(duì)應(yīng)的孔隙間距Tab.2 The pore spacing corresponding to different porosity

表3 單層孔隙板不同孔隙率的反射系數(shù)結(jié)果Tab.3 Results of different porosity on reflection of single layer pore plate

2.2 模型優(yōu)化設(shè)計(jì)及布置

上述試驗(yàn)現(xiàn)象表明，波浪與弧形消波結(jié)構(gòu)作用后的反射波主要分為兩部分：一部分是波浪在結(jié)構(gòu)上爬高時(shí)被弧形板反射的波浪；另一部分是穿過(guò)弧形板表面進(jìn)入消波結(jié)構(gòu)內(nèi)部后被直墻反射回的波浪。二者疊加后的反射波是影響消波結(jié)構(gòu)反射系數(shù)的主要因素，前者可通過(guò)適當(dāng)降低弧形板表面的孔隙率使進(jìn)入消波結(jié)構(gòu)內(nèi)部及經(jīng)弧形板反射的波浪減小，對(duì)此，前文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)得到了該消波結(jié)構(gòu)最優(yōu)的孔隙率；后者可通過(guò)優(yōu)化消波灘內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)使經(jīng)過(guò)后方直墻反射回的波高減小。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，最優(yōu)孔隙率時(shí)的單層板弧形消波結(jié)構(gòu)的反射仍較大，不同波浪條件下反射系數(shù)在0.13～0.44之間。參考相關(guān)研究成果，對(duì)于降低豎向孔隙薄板、帶孔水平剛性板前反射系數(shù)的優(yōu)化方法常為變單層板為雙層板結(jié)構(gòu)[24]。因此，在上層弧形孔隙板下方增加一段單層弧形孔隙板，形成雙層復(fù)合消波結(jié)構(gòu)，上下兩層孔隙板間距為0.06 m，見(jiàn)圖4；垂直方向高度考慮波峰時(shí)刻波浪沖擊消波結(jié)構(gòu)表面向上爬高和波谷時(shí)刻波谷回吸的主要影響范圍[25]，選取試驗(yàn)水深的水面線上下一倍最大試驗(yàn)波高高度，即下層孔隙板垂直方向高度為0.24 m。在優(yōu)化試驗(yàn)中，上層孔隙板孔隙率選取前文試驗(yàn)得到的最優(yōu)孔隙率30%，下層孔隙板孔隙率選取20%、30%和40%，研究該結(jié)構(gòu)消波性能最佳的雙層孔隙板孔隙率組合以及不同波浪條件對(duì)消波結(jié)構(gòu)反射系數(shù)的影響。

圖4 雙層復(fù)合弧形消波結(jié)構(gòu)及模型實(shí)體照片(單位：尺寸mm)Fig.4 Sketch and model photo of double-layer wave absorbing structure

2.3 雙層孔隙板不同孔隙率組合對(duì)反射系數(shù)的影響

雙層復(fù)合消波結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中波峰時(shí)刻和波谷時(shí)刻的試驗(yàn)現(xiàn)象見(jiàn)圖5和圖6。波峰時(shí)刻，下層孔隙板對(duì)經(jīng)直墻反射回的波浪有明顯的阻礙作用，減少部分反射波的影響；波谷時(shí)刻，波浪穿過(guò)下層孔隙板的過(guò)程中耗散了部分能量。雙層孔隙板之間的空隙形成類(lèi)似半密閉消浪室，使每一個(gè)波在行進(jìn)和返回過(guò)程中，通過(guò)消波結(jié)構(gòu)的次數(shù)由單層孔隙板時(shí)的2次增加為4次，最大程度地減少了穿過(guò)雙層孔隙板進(jìn)入消波結(jié)構(gòu)內(nèi)部的以及浪和經(jīng)直墻二次反射的波浪。

圖5 波峰時(shí)刻雙層復(fù)合消波結(jié)構(gòu)試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.5Phenomenonofdouble-layerwaveabsoringstructureatwavecresttime圖6 波谷時(shí)刻雙層復(fù)合消波結(jié)構(gòu)試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.6Phenomenonofdouble-layerwaveabsoringstructureatwavetroughtime

圖7 雙層孔隙板不同孔隙率對(duì)反射系數(shù)的影響Fig.7 Results of different porosity on reflection coefficient of double-layer pore plate

雙層孔隙板不同孔隙率組合對(duì)反射系數(shù)的影響結(jié)果見(jiàn)表4，為方便讀者查看，用圖7表示試驗(yàn)結(jié)果。與前文單層孔隙板的試驗(yàn)結(jié)果相比，雙層孔隙板時(shí)的反射系數(shù)均有所減??；當(dāng)入射波浪要素不變時(shí)，反射系數(shù)隨著下層孔隙板孔隙率由40%降至20%。增加的下層孔隙板顯著降低了波浪經(jīng)直墻的二次反射，使反射系數(shù)降低。因此，當(dāng)雙層復(fù)合消波結(jié)構(gòu)上層孔隙板孔隙率為30%，下層孔隙板孔隙率為20%時(shí)，反射系數(shù)最?。淮藭r(shí)，與單層孔隙板最優(yōu)孔隙率30%時(shí)相比，不同試驗(yàn)條件下結(jié)構(gòu)反射系數(shù)降低幅度在27%～69%之間，平均降低幅度約為41%。其中，第四組試驗(yàn) (H=0.12 m，T=1.2 s)時(shí)的反射系數(shù)達(dá)到最小值，為0.05。

表4 雙層孔隙板不同孔隙率的反射系數(shù)結(jié)果Tab.4 Results of different porosity on reflection of double-layer pore plate

2.4 波高的影響

不同波高對(duì)單層板和雙層板的反射系數(shù)影響結(jié)果如圖8和圖9所示。隨著入射波高由0.03 m增大至0.12 m，波浪沿弧形孔隙板向上爬高增大，爬高過(guò)程中波能沿程損失增加，且穿過(guò)孔隙板進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部時(shí)水面以上的水體跌落耗散的能量增加，因此單層板和雙層板的結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)均有所減小。以T=1.2 s時(shí)為例，波高H=0.03 m、0.06 m、0.09 m和0.12 m時(shí)，單層孔隙板的反射系數(shù)分別為0.36、0.18、0.16和0.13，雙層孔隙板的反射系數(shù)分別為0.11、0.08、0.07和0.05。

圖8 不同入射波高對(duì)單層孔隙板反射系數(shù)的影響Fig.8Resultsofdifferentwaveheightonreflectioncoefficientofsinglelayerporeplate圖9 不同入射波高對(duì)雙層孔隙板反射系數(shù)的影響Fig.9Resultsofdifferentwaveheightonreflectioncoefficientofdouble-layerporeplate

圖10 不同入射周期對(duì)單層孔隙板反射系數(shù)的影響Fig.10Resultsofdifferentwaveperiodonreflectioncoefficientofsinglelayerporeplate圖11 不同入射周期對(duì)雙層孔隙板反射系數(shù)的影響Fig.11Resultsofdifferentwaveperiodonreflectioncoefficientofdouble-layerporeplate

2.5 周期的影響

不同周期對(duì)反射系數(shù)的影響結(jié)果如圖10和圖11所示。隨著波周期從1.2 s增加至2.4 s，單層孔隙板和雙層孔隙板的結(jié)構(gòu)前反射系數(shù)均有所增大。對(duì)于最小試驗(yàn)波高H=0.03 m，T=1.2 s、T=1.6 s、T=2.0 s和T=2.4 s時(shí)，單層孔隙板的反射系數(shù)分別為0.36、0.40、0.41和0.44，雙層板的反射系數(shù)分別為0.11、0.25、0.29和0.30；對(duì)于最大試驗(yàn)波高H=0.12 m，T=1.2 s、T=1.6 s和T=2.0 s時(shí)，單層孔隙板的反射系數(shù)分別為0.13、0.25、0.27和0.31，雙層孔隙板的反射系數(shù)分別為0.05、0.13、0.19和0.20。

3 結(jié)論

(1)單層孔隙板孔隙率取20%、30%、40%和50%，開(kāi)孔型式為橫向條形的試驗(yàn)條件下，弧形板表面孔隙率為30%時(shí)消波結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)最??；在H=0.12 m,T=1.2 s時(shí)，反射系數(shù)達(dá)到最小值，為0.14。

(2)上層孔隙板孔隙率30%，下層孔隙板孔隙率20%、30%和40%試驗(yàn)條件下，雙層孔隙板消浪效果明顯優(yōu)于單層孔隙板，反射系數(shù)平均降低幅度約為41%；且上層孔隙板孔隙率為30%，下層孔隙板孔隙率為20%時(shí)，消波結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)最小；在H=0.12 m，T=1.2 s時(shí)，反射系數(shù)達(dá)到最小值，為0.06。

(3)弧形消波結(jié)構(gòu)在規(guī)則波作用下，當(dāng)其他條件不變時(shí)，結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)隨波高增大而減小，隨周期增大而增加。

(4)弧形消波結(jié)構(gòu)的消波機(jī)理為同時(shí)破壞水質(zhì)點(diǎn)的橫向和豎向運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，弧形消波裝置的表面形狀變化即不同弧度的弧形消波裝置的消浪效果也應(yīng)有所不同，可進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。本文試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論均是在一種弧度的弧形消波結(jié)構(gòu)下進(jìn)行。

(5)本文主要研究弧形孔隙板開(kāi)孔率對(duì)其反射系數(shù)的影響，因此僅模擬消波結(jié)構(gòu)本身和實(shí)驗(yàn)水池岸壁，并未考慮消波結(jié)構(gòu)后的落水槽及循環(huán)水泵；通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)得到了消波結(jié)構(gòu)的最優(yōu)孔隙率組合，試驗(yàn)結(jié)果不代表整體消波系統(tǒng)的消浪性能。