U型振蕩水柱式防波堤波浪力試驗研究

紀(jì)君娜

(山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心棘洪灘水庫管理站，青島 266111)

Biography：JI Jun-na(1981—), female, engineer.

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求量不斷增加，傳統(tǒng)能源已無法滿足發(fā)展需求，此外化石能源導(dǎo)致的環(huán)境問題也日益突出，因此大力發(fā)展可再生能源是大勢所趨。儲存在海洋中的可再生能源潛力巨大，超過70%的地球表面被海洋覆蓋，海洋是巨大的太陽能收集器，從太陽獲取熱能，月球的引力驅(qū)動潮汐，風(fēng)產(chǎn)生海浪。與其他可再生能源相比，海洋能源具有豐富可用性、高負(fù)荷因子、低環(huán)境影響和資源可預(yù)測性等重要優(yōu)勢[1]。海洋波浪能具有以下幾個優(yōu)點：(1)波浪能是機(jī)械能的一種，也是海洋能中質(zhì)量相對較好的能源，同時利用它的能量轉(zhuǎn)化裝置也相對簡單；(2)盡管波浪能的能流密度相對較低，但其蘊(yùn)藏量巨大；(3)而且在冬季擁有最大的波浪能,這樣可以有效緩解能源消耗巨大、供給不足的問題；(4)波浪能是海洋中分布最為廣泛的可再生能源。也正是由于其突出的優(yōu)點，保證了較高的開發(fā)利用性[2]。振蕩水柱式波浪能發(fā)電(Oscillating Water Column，簡稱OWC)是目前海洋能利用技術(shù)之一，其結(jié)構(gòu)簡單、建造方便，并且可以和護(hù)岸、防波堤等海工結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在降低工程造價的同時實現(xiàn)海工結(jié)構(gòu)物的功能多元化[3]。

史宏達(dá)等[4]提出了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能裝置，并在物理試驗中研究了裝置的穩(wěn)定性情況。HE等[5]將OWC裝置與圓柱樁基式防波堤結(jié)合，研究了該類型裝置的水動力特性。KAMATH等[6]通過計算氣室內(nèi)壓力和自由表面液體速度來評價OWC裝置的轉(zhuǎn)換效率，并將對該裝置在不同波長范圍內(nèi)、不同波陡度下的性能進(jìn)行了評價。NING等[7]利用數(shù)值模擬研究了作岸式OWC裝置上的動態(tài)波浪力以及波浪條件和氣室?guī)缀涡螤顚馐仪皦Σɡ肆Φ挠绊憽INGH等[8]在試驗中研究了漂浮式防波堤結(jié)合OWC裝置的發(fā)電出力情況，并發(fā)現(xiàn)漂浮式防波堤的運(yùn)動會對裝置發(fā)電性能產(chǎn)生較大的影響。ZHENG等[9]構(gòu)建了多氣室OWC數(shù)值模型，并總結(jié)了透平控制策略、氣室個數(shù)以及氣室壁面尺寸對裝置波能轉(zhuǎn)換效率的影響規(guī)律。為了進(jìn)一步提高OWC裝置的能量轉(zhuǎn)換效率，BOCCOTTI[10]提出了一種U型振蕩水柱結(jié)構(gòu)(U-OWC)，該裝置在傳統(tǒng)OWC氣室前增加了一塊前擋板，使裝置可在沒有相位控制的前提下產(chǎn)生共振現(xiàn)象，以此提高OWC的整體性能。VYZIKAS等[11]研究了不同幾何尺寸的多氣室OWC裝置包括經(jīng)典的OWC和U-OWC的水力特性，同時對不同形式OWC裝置的幾何特性進(jìn)行初步比較以及形狀改進(jìn)，從而整體優(yōu)化并提高裝置效率。耿敬等[12]構(gòu)建了二維數(shù)值波浪水槽，分析了氣室形狀參數(shù)以及波面非線性等因素對U型OWC氣室內(nèi)水面高度的影響。SCANDURA等[13]基于線性無旋波理論，建立了U型振蕩水柱裝置的數(shù)值模型，并用模型試驗和海試數(shù)據(jù)驗證了模型在裝置效率預(yù)測中的準(zhǔn)確性。NING等[14]研究了水下?lián)醢彘L度、擋板與氣室前墻距離等因素對U-OWC轉(zhuǎn)換性能的影響。

OWC裝置作為開孔沉箱的一種特殊結(jié)構(gòu)，研究其受力可以為解決OWC裝置兼做防波堤的受力問題起到指導(dǎo)作用。陳雪峰等[15]采用特征函數(shù)展開與匹配方法，研究了沉箱前板開孔率、消浪室寬度與沉箱底寬之比、海床滲透參數(shù)等因素對水平力、垂直力的影響。姜俊杰等[16]通過二維規(guī)則波波壓力試驗，對規(guī)則波作用下有頂板開孔沉箱所受到的垂直波浪力進(jìn)行了系統(tǒng)研究。ASHLIN等[17]對OWC裝置的波浪力進(jìn)行了物理模型試驗。結(jié)果表明，在系統(tǒng)固有頻率下，由于OWC的高能吸收作用，結(jié)構(gòu)受力較小。NING等[18]利用數(shù)值模擬研究了作岸式OWC裝置上的動態(tài)波浪力以及波浪條件和氣室?guī)缀涡螤顚馐仪皦Σɡ肆Φ挠绊憽?/p>

值得注意的是，U型振蕩水柱裝置和防波堤結(jié)構(gòu)具有很高的關(guān)聯(lián)性和共通性。首先，二者的工作水域條件相似，均設(shè)置在水深不超過20 m的海域；其次，防波堤與U型振蕩水柱裝置受力特征類似，均需要承受波浪力沖擊作用，吸收或轉(zhuǎn)換波浪能；此外，二者斷面尺度相似，并且沉箱防波堤可以設(shè)計建造成與U型振蕩水柱裝置相似的氣室結(jié)構(gòu)，如圖1所示。因此，U型振蕩水柱裝置與傳統(tǒng)防波堤具備復(fù)合式開發(fā)的條件基礎(chǔ)。

圖1 U型振蕩水柱式防波堤示意圖

從已有文獻(xiàn)來看，目前大部分對于U型振蕩水柱裝置的研究集中在其水動力特性及能量轉(zhuǎn)換性能上，對于裝置兼做防波堤的受力規(guī)律研究較少。基于此，本文構(gòu)建了U型振蕩水柱式防波堤的物理模型，通過水工物理模型試驗開展了裝置的受力規(guī)律研究，研究結(jié)果可為該類型裝置的穩(wěn)定性設(shè)計提供參考。

1 試驗概況

1.1 裝置模型

本試驗中重力起決定性作用，故按弗勞德相似準(zhǔn)則進(jìn)行模型設(shè)計，長度比尺為1∶18。試驗所用的U型振蕩水柱模型由厚度為13 mm的亞克力板組裝而成，如圖2所示。沉箱氣室長0.6 m、高1 m、寬1 m，與水槽保持等寬，因此不考慮波浪繞流的影響，氣室后壁固定裝有孔板結(jié)構(gòu)的輸氣管，以模擬空氣透平帶來的阻尼作用。前擋板與氣室前墻之間的水平距離固定為0.4 m，并且前擋板以及氣室的前墻采用了拼接式可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，以方便研究二者的尺寸變化對裝置受力的影響。

圖2 U型振蕩水柱防波堤氣室模型

1.2 試驗布置

本文水工模型試驗在中國海洋大學(xué)水動力學(xué)實驗室的波流水槽中開展，水槽總長30 m、高1.2 m、寬1 m，推板式造波機(jī)安裝在水槽前端，水槽末端布置多層消波網(wǎng)，以減少波浪反射。裝置安裝在距離造波板25 m處，以充分利用水槽長度，減少波浪反射的影響，如圖3所示。該裝置氣室的試驗?zāi)Ｐ途鶠榫奂谆┧峒柞?俗稱亞克力)材質(zhì)，厚度為5 cm，氣室前墻與擋板間距為0.4 m，氣室長0.6 m、寬1.0 m、高1.0 m。氣室前墻高度Hc，前擋板高度Hd。氣室后壁固定裝有orifice的輸氣管，長度0.45 m，管徑9 cm，其作用是代替后端的透平產(chǎn)生壓降，如圖4所示。試驗采用DJ800型點壓力傳感器，壓力探頭直徑為8 mm，長度為 37 mm。氣室前墻依次布置6組壓力傳感器，以實時采集氣室前墻所受到的波浪力變化，如圖5所示。試驗采用規(guī)則波作為入射波浪條件，平均波高H取4 cm、8 cm和12 cm三組，入射波平均周期T取1 s、1.5 s和2 s三組，水深固定為0.75 m。

圖3 水工物理試驗布置

圖4 氣室裝置結(jié)構(gòu)示意圖 圖5 壓力傳感器布置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 波浪條件對氣室前墻和前擋板受力的影響

波浪條件是影響U型振蕩水柱防波堤受力的直接因素，本節(jié)將分析入射波波高及周期對氣室前墻受力的影響。試驗選取三組模型結(jié)構(gòu)。(1)模型1。氣室前墻高度Hc=0.7 m，前擋板高度Hd=0.6 m；(2)模型2。氣室前墻高度Hc=0.6 m，前擋板高度Hd=0.5 m；(3)模型3。氣室前墻高度Hc=0.5 m，前擋板高度Hd=0.4 m，氣室前墻的受力結(jié)果如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)采用無量綱量λ/d，定義為波長與氣室長度的比值，縱坐標(biāo)表示氣室前墻在10個波浪周期內(nèi)，所受水平方向波浪力峰值與谷值的平均值，用Fh表示。

6-a Hc=0.7 m, Hd=0.6 m6-b Hc=0.6 m, Hd=0.5 m6-c Hc=0.5 m, Hd=0.4 m

當(dāng)氣室前墻高度Hc為0.7 m，前擋板高度Hd為0.6 m時，如圖6-a所示，氣室前墻所受的水平波浪力Fh隨著入射波波高及周期的增大而逐漸增大，并且當(dāng)U型振蕩水柱的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化，該規(guī)律依然存在。當(dāng)氣室前墻高度為0.5 m，前擋板高度為0.4 m時，如圖6-c所示，在大周期情況下，波高為8 cm和12 cm下的Fh非常接近，并且明顯大于波高為4 cm時的水平波浪力。

當(dāng)氣室前墻高度Hc為0.7 m，前擋板高度Hd為0.6 m時，從圖7中可以看出，在同一波高下力會隨著周期的增加而增加。同樣當(dāng)周期固定時，力會隨著波高的增加而增加。通過試驗發(fā)現(xiàn)，其他結(jié)構(gòu)形式也符合相應(yīng)規(guī)律。

圖7 波高對前擋板受力的影響

2.2 前擋板對氣室前墻受力的影響

本節(jié)將研究U型振蕩水柱防波堤的前擋板對氣室前墻所受波浪力的影響。當(dāng)氣室前墻Hc為0.5 m時，不同前擋板高度下，前墻所受水平方向的波浪力如圖8所示。由圖可見，在三組入射波波高情況下，防波堤氣室前墻所受的水平波浪力均隨著U型OWC前擋板高度Hd的增大而逐漸減小，這說明前擋板結(jié)構(gòu)對波浪有一定的阻礙作用，其存在可在一定程度上減小原有氣室所受的波浪力。同時，隨著入射波波高及周期的增大，前墻所受的波浪力將逐漸增大。當(dāng)入射波波高H=12 cm，如圖8-c所示，在三組入射波周期下，前擋板高度的變化對前墻受力的影響不如小波高條件下明顯，并且周期T從1.5 s增大到2 s時，F(xiàn)h的增幅變緩。

8-a H=4 cm8-b H=8 cm8-c H=12 cm

當(dāng)前墻高度Hc調(diào)整增大到0.6 m和0.7 m時，分別如圖9和圖10所示，氣室前墻所受的波浪力同樣隨著前擋板高度的增大而減小，入射波波高與周期對Fh的影響規(guī)律與Hc為0.5 m時類似。當(dāng)Hc=0.7 m時，小波高條件下，前擋板的高度變化對前墻所受的波浪力影響有限。

9-a H=4 cm9-b H=8 cm9-c H=12 cm

10-a H=4 cm10-b H=8 cm10-c H=12 cm

2.3 氣室前墻對前擋板受力的影響

前墻高度對于傳統(tǒng)OWC結(jié)構(gòu)以及U型裝置都是重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其高度影響著氣室的受力以及裝置的能量轉(zhuǎn)換效率。通過前面分析可知，隨著入射波高的增大，結(jié)構(gòu)的受力會隨之增大，因此本節(jié)選取入射波高H=12 cm時，研究前墻高度的變化對前擋板受力的影響。從圖11-a可以看出，當(dāng)前擋板高度固定為0.4 m時，不同高度的氣室前墻對前擋板受力的影響不大。這種現(xiàn)象可能是當(dāng)前擋板吃水高度小于一個臨界值時,前墻高度在一定范圍變化并不會對前擋板的受力造成明顯的影響。從圖11-b可以看出，當(dāng)前擋板固定為0.5 m，在不同周期條件下，前墻高度0.7 m時的受力總是大于另外兩個高度。分析得出，當(dāng)前擋板高度相對較高時，過高的前墻高度造成的波浪反射還會作用于前擋板上，導(dǎo)致前擋板受力的增加。但是當(dāng)前墻高度有所下降時，這種下降的程度并不能對前擋板的受力造成明顯的影響。從圖11-c中可以清楚看出，前擋板固定高度0.6 m時，前擋板的合力會隨著前墻高度的降低而下降，最大前墻高度0.7 m的結(jié)構(gòu)受力總是處在最大值，而最小前墻高度0.5 m的結(jié)構(gòu)受力總是為最小值。造成這樣現(xiàn)象的原因是，當(dāng)前擋板較高時，從前墻反射回來的波浪作用到前擋板上，當(dāng)前墻高度較高時，反射的波能也相對較大，因而更多的波浪力作用在前擋板上,而隨著前墻高度的下降,之前反射到前墻的一部分波浪進(jìn)入了氣室內(nèi)，而且進(jìn)入到氣室內(nèi)的波浪量會隨著前墻高度的減小而增加。

11-a Hd=0.4 m11-b Hd=0.5 m11-c Hd=0.6 m

3 結(jié)語

本研究通過水工物理模型試驗，考察了U型振蕩水柱防波堤在不同波浪條件下的受力情況，并總結(jié)了結(jié)構(gòu)尺寸變量對裝置受力的影響規(guī)律，從而為這種新型結(jié)構(gòu)的受力以及穩(wěn)定性相關(guān)研究提供了參考。研究主要發(fā)現(xiàn)，入射波浪條件對U型振蕩水柱防波堤氣室前墻和前擋板所受的波浪力均有較大的影響，隨著波高和周期的增大，氣室前墻和前擋板的受力將逐漸增大。此外，氣室前墻所受的水平波浪力均隨著U型OWC前擋板高度的增大而逐漸減小，前擋板結(jié)構(gòu)的存在可在一定程度上減少入射波浪對氣室的沖擊作用。前擋板高度較小時，前墻高度對前擋板所受水平波浪力的影響較小。前擋板高度較大時，隨著前墻高度的增加，前擋板所受水平波浪力隨之逐漸增加。

本文對U型振蕩水柱防波堤的受力情況進(jìn)行了初步討論，受試驗條件的限制，此次研究開展的工況相對較少，后期可考慮更多的變量，例如前墻與前擋板的寬度、前墻厚度、水深等對裝置受力的影響。