帶柔性膜的浮式矩形箱透射性能試驗研究

陳 鵬 吳靜萍* 關(guān) 超 梅天龍

(武漢理工大學(xué)船海與能源動力工程學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢船用機械有限責(zé)任公司2) 武漢 430084)

0 引 言

隨著海洋開發(fā)不斷從近海走向遠海，傳統(tǒng)固定式防波堤的應(yīng)用受到限制.浮式防波堤因不受水深、地質(zhì)等環(huán)境條件制約，而且兼具經(jīng)濟、環(huán)保和施工方便等功能受到國內(nèi)外學(xué)者和工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[1-2].

浮箱式防波堤作為應(yīng)用較成熟和廣泛的一種浮式防波堤形式，近年來被不斷地進行結(jié)構(gòu)形式的改進，以適應(yīng)特定場景的消波需求.為提高消波性能，在浮箱結(jié)構(gòu)主體上安裝不同類型的剛性結(jié)構(gòu)物來增加對水體的擾動或者抑制水質(zhì)點運動，達到消波效果，如垂直板附體[3]、水平板附體[4]、柵欄結(jié)構(gòu)物[5]、桁架結(jié)構(gòu)物[6]等.

隨著浮箱式防波堤研究的不斷發(fā)展，由剛性主體和柔性附體組合而成的混合浮箱式防波堤得到研究者關(guān)注.這種形式的防波堤結(jié)合了剛性體和柔性材料各自的特點，其中柔性材料的附體結(jié)構(gòu)物不僅可以擾亂水質(zhì)點運動軌跡，還可以將波能轉(zhuǎn)化為自身柔性運動起到耗散波能的作用.Hermanson[7]開展了單浮箱下連接單層薄膜進行消波的試驗研究，發(fā)現(xiàn)連接薄膜后的消波結(jié)構(gòu)物可以使波浪的透射系數(shù)降低12%～17%.Kee[8]在浮箱下通過懸掛重物的方式安裝三層柔性膜，采用試驗的方法研究了該結(jié)構(gòu)物的消波性能，結(jié)果表明：柔性膜的長度對波浪的反射和透射性能有重要影響.王明玉等[9]試驗研究了浮箱-柔性膜組合防波堤的透射性能，結(jié)果表明：矩形箱與雙層柔性膜組合體形式的防波堤在消波性能上具有良好的效果，需要說明的是，其試驗中采用的浮箱是完全剛性固定的，并不具有自由度.

基于現(xiàn)有研究可以發(fā)現(xiàn)，剛性浮箱主體結(jié)合柔性膜附體的復(fù)合浮式防波堤是當(dāng)前浮式防波堤結(jié)構(gòu)形式改進的研究重點，然而剛性和柔性組合結(jié)構(gòu)體的幾何參數(shù)對不同波浪環(huán)境下浮式防波堤的透射性能影響缺乏系統(tǒng)的研究.因此，文中基于物理模型試驗開展不同規(guī)則波浪條件和模型幾何參數(shù)下復(fù)合浮式防波堤的透射性能研究.

1 模型試驗

1.1 試驗設(shè)備和儀器

模型試驗在武漢理工大學(xué)流體力學(xué)實驗室中的小型推板式波浪水槽中進行，水槽長18 m、寬0.6 m、高0.8 m，水槽末端設(shè)置有U形消波裝置.試驗中采用量程300 mm、采樣頻率為100 Hz的YWH200-DXX數(shù)字浪高儀，分別布置于模型兩側(cè)各1.5 m處(記為P1和P2)，見圖1.

圖1 試驗水槽及浪高儀布置示意圖

1.2 試驗?zāi)Ｐ图皡?shù)設(shè)置

試驗所用的剛性矩形箱為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，長0.595 m、寬0.24 m、高0.36 m；矩形箱模型的浸深d為0.06，0.12 m，浮箱通過沙子配重達到試驗浸深，并用四根尼龍繩與池底呈45°固定，見圖2.柔性膜為1.5 mm厚的PVC塑料薄膜，膜長度有0.6和1.2 m兩種.

圖2 試驗?zāi)Ｐ?/p>

試驗中采用正向入射規(guī)則波，其參數(shù)見表1.

表1 試驗采用的波浪參數(shù)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 矩形箱+單層膜透射性能

采用透射系數(shù)Kt=Ht/Hi來評估防波堤的水動力性能，Ht為堤后的透射波高，Hi為堤前的入射波高.

圖3為波陡H/L=0.03，箱體浸深分別為d=0.06 m和d=0.12 m時，不同薄膜長度對矩形箱與單層柔性膜組合體防波堤透射性能的影響.由圖3可知：浸深為0.06 m，B/L大于0.16時，薄膜長度增加，使得消波效果變好；在波長比較大時，薄膜長度增加卻降低了消波效果.當(dāng)矩形箱浸深為0.12 m時，薄膜長度增加，消波效果反而變差.

圖3 不同柔性膜長度對透射系數(shù)的影響

圖4為柔性膜長度為1.2 m，箱體浸深分別為d=0.06和0.12 m時，不同波陡對矩形箱與單層柔性膜組合體防波堤透射性能的影響.總體而言，某一浸深下，波陡較小時，對應(yīng)的透射系數(shù)也相應(yīng)小.這是由于波陡變大，波能也隨之變大，導(dǎo)致更顯著的柔性膜運動，柔性膜的運動起到了反作用的造波效果，導(dǎo)致透射波高增加.

圖5為波陡H/L=0.03，柔性膜長度1.2 m時，不同浸深下，透射系數(shù)隨相對寬度B/L的變化.由圖5可知：透射系數(shù)隨著相對寬度B/L的增大呈減小趨勢；當(dāng)浸深為0.06 m時，相對寬度B/L大于0.2左右，透射系數(shù)可降至0.5以下；當(dāng)浸深為0.12 m時，相對寬度B/L大于0.3左右，透射系數(shù)可降至0.5以下.

圖5 相對寬度對透射系數(shù)的影響

圖6為波陡H/L=0.03，箱體浸深分別為d=0.06和0.12 m，柔性膜長度1.2 m時，透射系數(shù)隨相對寬度B/L的變化.由圖6可知：隨著相對浸深的增大，矩形箱透射系數(shù)呈下降趨勢，波長越小，消波效果越好；同一浸深下，大的箱體寬度吃水比可以提高防波堤的消波效果.

圖6 寬度吃水比和相對浸深對透射系數(shù)的影響

2.2 矩形箱+雙層膜透射性能

圖7為箱體浸深分別為d=0.06和0.12 m時，不同波陡對矩形箱與雙層柔性膜組合體透射性能的影響.當(dāng)箱體的浸深相同時，波陡會影響防波堤的消波效果，波陡較小的透射系數(shù)較低.

圖7 不同波陡對透射系數(shù)的影響

圖8為波陡H/L=0.03，箱體浸深分別為d=0.06和0.12 m時，相對寬度對矩形箱與雙層柔性膜組合體透射性能的影響.可以發(fā)現(xiàn)，隨著相對寬度B/L值的增大，防波堤透射系數(shù)總體呈逐漸下降趨勢；某一波長下，箱體浸深越大，透射系數(shù)越小.

圖8 相對寬度對透射系數(shù)的影響.

圖9為波陡H/L=0.03，箱體浸深分別為d=0.06和0.12 m，寬度吃水比和相對浸深對矩形箱與雙層柔性膜組合體透射性能的影響.由圖9可知：相對浸深越大，防波堤的透射系數(shù)越??；對于相同浸深的情況，寬度吃水比大的對應(yīng)的透射系數(shù)小.

圖9 寬度吃水比和相對浸深對透射系數(shù)的影響.

2.3 不同模型透射系數(shù)比較

為了比較不同類型復(fù)合式防波堤的性能，取波浪波陡H/L=0.03，箱體浸深d=0.12 m時，開展浮箱+0.6 m單層膜、浮箱+1.2 m單層膜以及浮箱+雙層膜(0.6 m+1.2 m)的透射性能比較研究，見圖10.在選定工況下，浮箱+0.6 m單層膜的效果較其他兩種模型要好，與浮箱+1.2 m單層膜模型相比，浮箱+雙層膜消波堤性更佳，原因在于單層較長的柔性膜在波浪的誘導(dǎo)下更容易跟隨箱體擺動產(chǎn)生了負面的效果，然而雙層膜的結(jié)構(gòu)在某種程度上削弱了這種負面效果.

圖10 不同模型透射系數(shù)對比

3 結(jié) 論

1) 在某一浸深下，浮式防波堤的透射性能隨箱體相對寬度的增大而減??；增加寬度吃水比可以提高防波堤的消波效果.

2) 剛性矩形浮箱下懸掛柔性膜時，增加膜長度和懸掛柔性膜數(shù)量并不一定能提高防波堤的消波性能.

3)浮式防波堤的錨固方式對防波堤性能有較大影響，由于研究中并未開展錨固因素對透射性能的研究，因此下一步應(yīng)當(dāng)探索科學(xué)的錨固方式，以提高剛性和柔性結(jié)合的新型復(fù)合浮式防波堤的綜合消波性能.