多層直立擋板透空式防波堤消浪效果數(shù)值研究

周效國,曹鳳龍,李丁丁

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院, 鎮(zhèn)江 212100)(2.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院, 鎮(zhèn)江 212100)

相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的防波堤,透空堤具有經(jīng)濟輕便、施工快捷、拆除方便、有效保護掩護水域內(nèi)水體環(huán)境等優(yōu)點[1]．現(xiàn)階段對透空堤消浪性能的研究,主要借助物理模型試驗,而物理模型試驗需要花費大量人力、物力、財力,相比而言,數(shù)值模擬具有花費少、時間短、節(jié)約人力物力資源等優(yōu)點,且便于優(yōu)化設(shè)計,比物模試驗更自由靈活,并且能對物模試驗難以測量的量做出估計,同時,數(shù)值模擬還具有良好的重復(fù)性、條件易于控制、可以反復(fù)模擬等優(yōu)點．隨著CFD技術(shù)的日趨完善,采用數(shù)值方法模擬波浪和透空式防波堤相互作用已被越來越多運用到實際工程中[2-4]．文獻[5]通過建立垂直透空堤的數(shù)值模型,分析了透空堤對斜向來浪的衰減作用,得到開孔率及相對寬度是影響該結(jié)構(gòu)消浪性能的主要影響因素;文獻[6]通過數(shù)值模擬的方法對開孔透空堤的消浪性能進行分析,證明開孔率、結(jié)構(gòu)尺寸、相對波長等是影響其消浪性能的主要因素;文獻[7]通過建立數(shù)值水平斜板透空式防波堤模型研究了防波堤對透浪系數(shù)的影響,結(jié)果表明:透射系數(shù)隨防波堤水平板間距的增加而增加,隨防波堤相對板寬的增加而減少,隨著波陡和出水高度的增加,透射系數(shù)先增大后減小;文獻[8]利用數(shù)值模擬方法,研究了在規(guī)則波作用下高樁擋板透空式防波堤的消浪效果,研究表明，增加擋板入水深度、堤頂相對寬度、相對水深是減小透射系數(shù)的有效方法;文獻[9]對雙側(cè)擋板透空式防波堤的透浪性能進行了數(shù)值研究,發(fā)現(xiàn)擋板入水深度、相對板間距、入射波高、波周期是影響透浪系數(shù)的主要因素,且透浪系數(shù)隨著入水深度和相對板間距的增大而減小,隨著入射波高和波周期的增加而增加;文獻[10]對弧板式透空堤的消浪特性進行數(shù)值研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):板式透空堤的消浪系數(shù)隨著入射波周期和相對波高的增加而增加,隨著相對板寬的增加消浪系數(shù)呈減小趨勢;文獻[11]用數(shù)值模擬方法研究和分析了T型防波堤的消浪特性,在淹沒狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)相對板寬和波陡是影響透射系數(shù)的主要因素,在出水狀態(tài)下,波陡對透射系數(shù)的影響更為顯著;文獻[12]用數(shù)值模擬方法對雙層板式防波堤的消浪特性進行了研究,發(fā)現(xiàn)防波堤的消浪系數(shù)隨著相對板寬和相對波高的增加而增加,隨著水深的增加,消浪系數(shù)減小;文獻[13-14]基于SPH法建立防波堤數(shù)值模型,研究了防波堤在不同工況下的透射系數(shù)和反射系數(shù),結(jié)果表明,入射波高、波浪周期是影響防波堤消浪特性的主要因素．

波浪理論表明:波浪能量主要集中在水體上部,在水面以下3倍波高范圍內(nèi)集中了約98%的波浪能量;波浪水質(zhì)點做橢圓形運動,運動軌跡隨水深、波高、波浪周期的改變而改變．根據(jù)波能分布及波浪水質(zhì)點運動規(guī)律,設(shè)計了一種由不同孔徑、不同開孔率、不同底高程的多層直立擋板組成的透空式防波堤,利用不同尺度的開孔來逐層破壞波浪水質(zhì)點的運動軌跡,從而達到消能的目的．

文中基于物理模型建立數(shù)值模型,物理模型與數(shù)值模型具有相同的尺寸,通過STARCCM模擬了波浪周期、波高、擋板間距等因素對消浪效果的影響,并與物理模型試驗結(jié)果進行對比．

1 物理模型

物理模型的設(shè)計基于某港口的水文資料,水文要素如表1．

表1 水文要素Table 1 Hydrologic elements

物理模型試驗是在長40 m、寬0.8 m、高1 m的水槽中進行，水槽一端裝有造波機,可產(chǎn)生單向規(guī)則波．防波堤模型斷面如圖1,物理模型幾何比尺為1 ∶30,防波堤模型高0.97 m(防波堤高29.1 m),寬0.6 m(防波堤寬18 m),迎水面長0.79 m(防波堤長23.7 m),模型中間滑道供Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ擋板滑動調(diào)整板間距．Ⅰ、Ⅲ擋浪板底高程為16 m(模型底高程0.53 m),Ⅱ、Ⅳ擋浪板底高程為11 m(模型底高程0.37 m),下端有4對叉樁支撐,叉樁傾斜度為3 ∶1[15]．

圖1 防波堤模型斷面Fig.1 Section of breakwater model

根據(jù)波浪水質(zhì)點做橢圓形運動的特點,且波高、周期越大,波浪水質(zhì)點的運動尺度越大,為使該透空防波堤具有較好的消浪效果,擋浪板開孔(橢圓形)孔徑需小于較小波高與較小周期下水質(zhì)點的運動尺度．在物理模型設(shè)計時,Ⅰ、Ⅲ擋浪板主要基于高水位波浪,因此基于設(shè)計高水位h=25 m、波高H=1.5 m、波周期T=7 s設(shè)計了擋浪板Ⅰ、Ⅲ的開孔情況;Ⅱ、Ⅳ擋浪板主要基于低水位波浪,因此基于低水位h=20 m、波高H=1.5 m、波周期T=7 s設(shè)計了擋浪板Ⅱ、Ⅳ的開孔情況．依據(jù)波浪理論,波浪水質(zhì)點做橢圓形運動尺度為：

式中:A為水質(zhì)點橢圓形運動軌跡的長軸尺度；B為水質(zhì)點橢圓形運動軌跡的短軸尺度；z為擋浪板開孔位置；h為設(shè)計水位．

試驗采用規(guī)則波,模型試驗波要素條件如表2．

表2 試驗波要素條件Table 2 Test wave element conditions

2 數(shù)值模擬

首先使用SOLIDWORKS建立防波堤數(shù)值模型,然后將防波堤數(shù)值模型導(dǎo)入STARCCM軟件中,在STARCCM中建立數(shù)值波浪水槽,接著對防波堤數(shù)值模型及數(shù)值波浪水槽進行網(wǎng)格劃分、邊界條件及初始條件設(shè)置,最后由STARCCM軟件完成消浪性能計算．

2.1 數(shù)值模型的建立

叉樁、滑道及上側(cè)擋浪墻對消浪而言幾無作用,因此在數(shù)值分析中,只保留了4塊擋浪板,4塊擋浪板板間距布置方案如表3,數(shù)值防波堤模型中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4塊擋浪板布置如圖2,其中擋浪板Ⅰ、Ⅲ的底高程為0.53 m,擋浪板Ⅱ、Ⅳ的底高程為0.37 m．擋浪板的開孔率從第Ⅰ塊到第Ⅳ塊依次為35.57%、29.47%、25.42%、19.18%,表4以第Ⅳ塊擋浪板模型為例給出詳細開孔參數(shù)．

表3 板間距布置方案Table 3 Layout scheme of plate spacing

圖2 擋浪板模型Fig.2 Model of wave screen

表4 擋浪板Ⅳ的開孔參數(shù)(橢圓孔)Table 4 Hole parameters of wave plate Ⅳ(elliptical hole)

2.2 數(shù)值波浪水槽的建立

為與物模結(jié)構(gòu)進行比對,建立的數(shù)值波浪水槽長40 m,寬0.8 m,高1 m,防波堤模型安置于距左邊界12 m處,模型長60 cm,寬79 cm,高96.7 cm．在模型前后共設(shè)置3個監(jiān)測點以記錄波面的變化．1、2號監(jiān)測點設(shè)置于模型前,至模型的距離依次為4、2 m,用以記錄模型前的入射波高,3號監(jiān)測點設(shè)置于模型后2 m處,用以記錄透射波高．數(shù)值水槽示意如圖3．

圖3 數(shù)值水槽示意Fig.3 Schematic diagram of numerical sink

2.3 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分中,面網(wǎng)格選取表面重構(gòu),體網(wǎng)格組合選取切割體網(wǎng)格生成器和棱柱層網(wǎng)格生成器．其中網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為0.1 m,將擋浪板部分和波面部分進行網(wǎng)格加密處理,加密后的擋浪板部分網(wǎng)格尺寸為0.01 m,加密后波面部分中,波長方向網(wǎng)格尺寸為0.015 m，波高方向網(wǎng)格尺寸為0.005 m，寬度方向網(wǎng)格尺寸為0.02 m．

2.4 邊界條件和初始條件

邊界條件設(shè)定:采用邊界條件造波的方法,水槽前后兩個側(cè)面定義為對稱平面,水槽入口、底部、出口均定義為速度進口邊界,其中出口部分設(shè)置VOF波阻尼進行消波,水槽頂部與大氣相連,定義為壓力出口邊界．

初始條件設(shè)定:波浪選取一階VOF波,重力基準值g=-9.81 g/m2,參考密度ρ=1.0 kg/m3,設(shè)置初始壓力為一階VOF靜水壓力場函數(shù),初始速度為一階VOF波速度場函數(shù),體積分數(shù)初始條件為水與空氣的復(fù)合函數(shù)．

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)值波浪水槽的驗證

在模擬防波堤的消浪效果前,先在未加入防波堤的數(shù)值波浪水槽中造波,以檢驗造波條件是否符合模擬要求．各工況組次如表5,以第3組工況為例,監(jiān)測點1、2號處波面的時間過程線如圖4．

表5 工況組次Table 5 Group order of working conditions

圖4 兩監(jiān)測點處的時間過程線Fig.4 Time process line at two monitoring points

通過圖4兩監(jiān)測點的時間過程線可知,計算值與理論值吻合良好,誤差控制在±5%以內(nèi),由此可知建立的波浪數(shù)值水槽可以滿足模擬防波堤消浪效果的要求．

3.2 防波堤消浪效果計算

模擬防波堤的消浪效果同樣使用表5所給出的工況,以方案3為例,監(jiān)測1、2、3號監(jiān)測點處的波面,3個監(jiān)測點的波面時間過程線如圖5,標量場景如圖6．堤后波高由3號監(jiān)測點測出,入射波高由2號監(jiān)測點測出,防波堤的消浪效果用消浪系數(shù)K表示：K=1-Ht/Hi,Ht為堤后波高,Hi為入射波高波高．

圖5 監(jiān)測點的時間過程線Fig.5 Time process line of the monitoring point

圖6 標量場景Fig.6 Scalar scenario

3.3 波高對消浪效果的影響

圖7為5、7、10 cm 3種波高在不同水位條件,不同周期時數(shù)值模擬和物理模型試驗的比對結(jié)果,結(jié)果表明:消浪系數(shù)隨著波高的增大而增大,波高H=10 cm時消浪系數(shù)最好．

圖7 波高對消浪效果的影響Fig.7 Effect of wave height on wave dissipation effect

3.4 周期對消浪效果的影響

圖8為波浪周期分別為1.2、1.5、1.8 s,波高H=10 cm,低水位0.67 m和高水位0.83 m時數(shù)值模擬和物理模型試驗的比對結(jié)果,可以看出周期越大,消浪效果越好．

圖8 周期對消浪效果的影響Fig.8 Influence of period on wave dissipation effect

3.5 擋浪板間距對消浪效果的影響

在低水位0.67 m,波高10 cm,周期1.2 s時,分析了5種板間距布置方案對消浪效果的影響．由圖9可知方案5的消波效果最好,即前疏后密的擋浪板布置方案優(yōu)于其他的板間距布置方案,這與物模的結(jié)果是一致的．

圖9 擋浪板布置方案對消浪效果的影響Fig.9 Effect of wave baffle plate arrangementon wave elimination effect

通過數(shù)值模擬與模型試驗結(jié)合的方法研究了波高、波浪周期、板間距布置方案等因素對透空式防波堤消浪效果的影響規(guī)律,從圖7、8、9可以看出:① 數(shù)模中各要素對多層擋板透空式防波堤的消浪效果的影響規(guī)律與物模結(jié)果一致,其消浪系數(shù)在0.35～0.45;② 入射波周期越大,消浪效果越好;入射波波高越大,消浪效果越好;沿波浪傳播方向防波堤寬度不變的情況下,擋板間距前疏后密的布置方案,其消浪效果優(yōu)于其它板距布置方案．

從圖7、8、9可以看出,數(shù)值模擬的消浪系數(shù)略大于物理模型試驗的消浪系數(shù)，其原因主要是:① 數(shù)值模擬由于網(wǎng)格劃分尺寸的影響,使數(shù)值模擬中擋板的開孔尺寸與物理試驗中擋板的開孔尺寸存在差異,從而有可能導(dǎo)致數(shù)值模擬的消浪效果優(yōu)于物理模型試驗的結(jié)果．② 在物模過程中,Ⅱ、Ⅳ兩塊擋浪板沒有伸至堤頂,試驗中發(fā)現(xiàn),有部分波浪越過擋浪板從而導(dǎo)致堤后波高增大．③ 在物模試驗過程中,波浪作用于直立擋板時,擋板產(chǎn)生擾動,造成二次造波,是物模消浪效果不及數(shù)模結(jié)果的另一個重要原因．

4 結(jié)語與展望

(1) 基于STARCCM軟件,建立了同時具有造波與消除反射波功能的數(shù)值波浪水槽,成功地模擬了多層擋板透空式防波堤的消浪特性．

(2) 鑒于數(shù)值模擬具有省時、省力、節(jié)約費用以及易于修改等優(yōu)點,在以后的研究中可以用基于STARCCM數(shù)值方法開展透空堤消浪性能研究．

(3) 多層直立擋板透空式防波堤的消浪系數(shù)在0.35～0.45,消浪系數(shù)相對較小,為進一步提高透空式防波堤的消浪效果,從改善透空式防波堤結(jié)構(gòu)型式出發(fā),可考慮在直立擋浪板內(nèi)部增加水平消浪板,有望取得更好的消浪性能,可進一步研究．