柔性格柵式防波堤消波性能試驗研究

鄒昊男 吳靜萍 楊師宇

(武漢理工大學(xué)船海與能動工程學(xué)院1) 武漢 430063) (高性能船舶技術(shù)教育部重點實驗室2) 武漢 430063) (中國船舶集團有限公司第七〇三研究所3) 哈爾濱 150078)

0 引 言

防波堤是一種為遮掩水域提供一個安全、穩(wěn)定可靠的停泊和作業(yè)環(huán)境的海上消波裝備.傳統(tǒng)的坐底式防波堤從水底基礎(chǔ)開始建造,因工程造價高、施工難度較大和阻斷水質(zhì)交換等因素而被水面式防波堤替代.相較于傳統(tǒng)的坐底式防波堤,水面式防波堤具有低成本、運輸便利、不受海底地質(zhì)條件和水深的影響等優(yōu)點,通?？梢钥焖俚貫榕R時施工的水域形成一種安全、可靠、穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境.通過對波浪能量分布的研究,人們發(fā)現(xiàn)深水波浪的能量主要集中在水面和水下3倍波高的區(qū)域.水面防波堤的消波主體主要位于水面附近,與波能分布特點相匹配[1],有效地利用了資源.新型水面式防波堤的研究一直受到了專家學(xué)者的關(guān)注.

目前,常見的水面式防波堤結(jié)構(gòu)形式主要有浮箱式[2-3]、浮筒式[4-5]和浮筏式[6]等三種形式,雖然水面式防波堤形式多樣,但對較長周期海浪(涌浪)的消波效果缺乏經(jīng)濟而有效的措施,還需要繼續(xù)尋找更優(yōu)的消波結(jié)構(gòu)形式.

水面式防波堤主要通過波浪反射、波浪干涉、波能被轉(zhuǎn)換或損耗消減波浪[7],在消減波浪時,消波主體的水平尺度和豎直尺度起關(guān)鍵作用.波長越長,尺度越大,如箱型浮式防波堤相對寬度超過0.35才能達到50%的明顯的消波效果[8].然而,水面式防波堤通常采用鋼筋混凝土等剛性材料建造,大型的消波主體不適合于靈活、臨時使用,并且一旦在惡劣海浪中被毀壞將造成二次災(zāi)害.而柔性材料常用橡膠、合成材料和聚合物材料等,具有高強度的力學(xué)性能,質(zhì)輕,適合大型建造,已經(jīng)在不同的海洋裝備中得到應(yīng)用.柔性膜材料在水面式防波堤中,已經(jīng)展開了諸如張緊的豎直柔性膜[9]和水平膜[10]、充滿流體的柔性膜彈性囊、防波堤的柔性膜附體[11],以及框架形式等結(jié)構(gòu)形式的研究和應(yīng)用.

本文借鑒格柵在防風(fēng)固沙上的成功應(yīng)用,采用柔性材料制作格柵式防波堤, 采用柔性透明PVC板制作試驗?zāi)Ｐ?格柵由直立方格組成.改變格柵模型寬度和浸深,改變方格邊長,制作了6種模型,將模型固定在金屬框架上,在小型推板造波水槽中展開試驗研究.保持水深不變,保持模型出水高度不變,對6種模型展開了不同周期規(guī)則波和波陡的系列試驗.討論了格柵寬度、格柵浸深、格柵格子邊長在不同波陡和波浪周期下的透射系數(shù)變化規(guī)律,試驗結(jié)果表明:本文提出的柔性格柵式消波模型具有優(yōu)良的消波性能.

1 模型試驗

1.1 試驗設(shè)備

本文物理模型試驗地點在武漢理工大學(xué)流體力學(xué)實驗室進行.小型波浪水槽全長18 m、寬0.6 m、高0.8 m,見圖1.水槽的一端安裝推板造波機,通過輸入波浪參數(shù)遠程驅(qū)動推板造波.水槽的另一端,為了盡可能減少池壁反射的作用,使水面快速恢復(fù)平靜,水槽末端配有U形設(shè)計、放置多層緩坡透空板作為水槽消波段的消波裝置.水槽壁面采用2 cm厚的鋼化玻璃,方便觀察試驗時水槽內(nèi)部發(fā)生的現(xiàn)象.

圖1 波浪水槽照片

浪高儀為YWS200-DXX電容式數(shù)字浪高儀,最大量程為300 mm,測量絕對誤差為±1 mm.

試驗時,試驗?zāi)Ｐ凸潭ㄔ谒墼囼灦?其中心距離造波板8.75 m,在模型前后布置浪高儀測量波面抬升.試驗時水槽布置示意圖見圖2.

圖2 波浪水槽試驗布置示意圖

文中物理試驗時,布置4支浪高儀,沿著波浪傳播方向分別以P1、P2、P3和P4依次命名.其中,P1和P2位于模型迎浪側(cè),用來處理反射波和反射系數(shù);P3和P4位于模型去浪側(cè),用來處理透射波和透射系數(shù).浪高儀P1放在距離造波板前緣6 m處,浪高儀P2距離模型中心1.75 m;浪高儀P3放在距離模型中心1.75 m處,浪高儀P4放在浪高儀P3后端1 m處的位置.

1.2 物理模型

采用柔性薄膜構(gòu)造格柵,格柵的格子豎向貫通,格子水平面為邊長S相等的正方形,在迎浪側(cè)和去浪側(cè)黏上兩塊有機玻璃板.固定安裝的格柵模型見圖3.

柔性薄膜為透明軟質(zhì)PVC材料,厚度1.5 mm,密度微大于水.有機玻璃板長56 cm、寬5 cm、厚5 mm,用膠水粘在柔性膜表面的上方,一方面減小柔性膜在波浪作用下的變形,另一方面輔助反射波浪.有機玻璃板和柔性薄膜材料見圖3.

圖3 柔性格柵模型安裝圖

鋁桿構(gòu)造的剛性框架固定在水槽上.鋼片與柔性膜螺栓連接,將柔性格柵模型固定在框架上.另外,在固定試驗?zāi)Ｐ偷目蚣苌戏皆黾优c水槽長度方向平行的鋁桿,減小試驗?zāi)Ｐ驮诓ɡ俗饔孟掳l(fā)生的搖擺.

為了討論模型寬度B、浸深d和格子邊長S對柔性格柵消波性能的影響,設(shè)計了6種試驗?zāi)Ｐ?模型尺度定義符號見圖4,具體數(shù)據(jù)見表1.其中,模型M1和M2用于討論模型寬度B的影響,M1、M3和M4討論浸深d的影響,M2、M5和M6討論格柵格子邊長S的影響.模型統(tǒng)一露出水面1 cm,波浪翻越時加強波浪破碎,消耗波浪能量,增加消波效果.格柵模型在水槽寬度方向的長度尺寸均為58.5 cm.除了留出的與水槽壁面之間的安裝縫隙,模型幾乎貫穿整個水槽寬度.

圖4 柔性格柵模型示意圖

表1 格柵試驗?zāi)Ｐ偷某叨?單位:cm

1.3 波浪參數(shù)

表2 波浪參數(shù)

1.4 透射系數(shù)處理方法

透射系數(shù)Kt是透射波高Ht與入射波高Hi的比值,即:

Kt=Ht/Hi

(1)

浪高儀P3和P4用來處理透射波和透射系數(shù).實際使用P3,P4備用.入射波高Hi采用無模型時,浪高儀P3所測得的穩(wěn)定波高H的平均值.透射波高Ht采用有模型時,浪高儀P3所測得的穩(wěn)定波高H的平均值.計算式為

(2)

(3)

式中:N為所選取的連續(xù)穩(wěn)定入射波和透射波波段中波高H的個數(shù).由于本文的水槽長度和試驗波長范圍的限制,取N=3.實際測量波形和波高計算見圖5.

圖5 浪高儀P3測量的波形和波高計算(T=1.2 s,H/L=0.02,Hi=35.42 mm,Ht=18.26 mm,Kt=0.52)

每次試驗重復(fù)做了兩次.由于水槽造波重復(fù)性很好,所以結(jié)果分析只采用其中一次.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 模型寬度B的影響

模型M1和M2的浸深d=11 cm,格子邊長S=8 cm相同,但是它們的寬度B不同.M1的寬度B=40 cm,M2寬度B=48 cm.模型高度D=12 cm,出水高度為1 cm.

圖6為波陡H/L=0.02, 0.05下,透射系數(shù)Kt隨著無因次波浪參數(shù)kh的變化.

圖6 模型寬度B對透射系數(shù)Kt的影響

由圖6可知:模型M1和M2的透射系數(shù)Kt在波陡0.02和0.05下隨著kh增加而下降的變化趨勢大致相同,并且寬度B=48 cm的模型M2的透射系數(shù)Kt均小于寬度B=40 cm的模型M1.說明寬度越大,消波效果越好,這與水面式防波堤的消浪特性一致.另外,在kh>2.25的較小周期波情況下,模型M1和M2的透射系數(shù)Kt相趨于接近,說明此時模型M1和M2將小周期波幾乎完全消減了.

2.2 模型浸深d的影響

模型M1、M3和M4的寬度B=40 cm,格子邊長S=8 cm,但是他們的浸深d不同.分別為d=11,19,35 cm.它們的高度D也不同,分別為D=12,20,36 cm.出水高度均為1 cm.

圖7為波陡H/L=0.05, 0.08下,透射系數(shù)Kt隨著無因次波浪參數(shù)kh的變化.

圖7 模型浸深d對透射系數(shù)Kt的影響

由圖7可知:模型M1、M3和M4的透射系數(shù)Kt在H/L=0.05, 0.08下隨著kh的增加均呈現(xiàn)下降趨勢.浸深d=19 cm的模型M3的透射系數(shù)最小,而最大浸深d=35 cm的透射系數(shù)大于另外兩種浸深較小的模型.這說明,柔性格柵消波裝備存在最佳浸深,后續(xù)將進一步研究.發(fā)生這個現(xiàn)象的原因可能在于柔性體變形和擺動,以及波浪繞過模型底部的分離渦.

2.3 格子邊長S的影響

模型M2、M5和M6用于分析格子邊長的影響,格子邊長分別為S=8,16,24 cm.寬度B=0.48 m,浸深d=11 cm,D=12 cm,出水高度為1 cm.

圖8為波陡H/L=0.05下,透射系數(shù)Kt隨著相對寬度B/L的變化.

圖8 格子邊長S對透射系數(shù)Kt的影響

由圖8可知:模型M2、M5和M6的透射系數(shù)Kt在波陡0.05下都隨著B/L的增加呈現(xiàn)下降趨勢.很明顯,格子邊長S=24 cm的模型M6的透射系數(shù)最大,消波性能最差;格子邊長S=16 cm的模型M5的透射系數(shù)絕大多數(shù)B/L下是最小的.并且,格子邊長S=8 cm,16 cm的模型M2和M5,當(dāng)相對寬度B/L<0.4時,透射系數(shù)Kt曲線幾乎重合,顯示出相近的消波性能.

2.4 波陡H/L的影響

選取模型M1和M2分析波陡H/L的影響.兩模型的寬度B不同,分別B=40,48 cm,其他幾何參數(shù)一樣,浸深d=11 cm,格子邊長S=8 cm.

圖9為模型M1和M2在波陡H/L=0.02,0.05和0.08下的透射系數(shù)Kt隨著無因次波浪參數(shù)kh值的變化趨勢.

圖9 波陡H/L對透射系數(shù)Kt的影響

由圖9可知:模型M1和模型M2的透射系數(shù)Kt在H/L=0.02,0.05和0.08下的變化趨勢仍然大致一致,并且波陡大的都是系數(shù)完全大于波陡小的.這說明模型在大波陡的消波效果比小波陡的差,這與水面式防波堤的一般消波特性一致.

3 結(jié) 論

1) 增加模型的寬度B可以降低透射系數(shù)Kt,提升模型的消波性能.但是,當(dāng)kh較大時,模型寬度對于透射系數(shù)Kt的影響較小.

2) 在一定范圍內(nèi)增加模型的浸深d同樣可以降低透射系數(shù)Kt,提升模型的消波性能.但是,當(dāng)模型觸底時,模型的消波性能反而會變差.存在最佳浸深,后續(xù)進一步研究.

3) 在三個格子邊長S中,兩種較小的格子邊長,消波性能比較接近,而最大的格子邊長,消波性能最差.