張洪雨,張鑫
哈爾濱工程大學船舶工程學院,黑龍江哈爾濱150001
多層變孔徑傾斜孔板式消波裝置的試驗研究
張洪雨,張鑫
哈爾濱工程大學船舶工程學院,黑龍江哈爾濱150001
為了縮短波浪水槽內進行試驗的“等水”時間,同時為實驗室內波浪水槽中進行的相關實驗研究提供更為接近實際的工作環(huán)境,提出了一種新型的變孔徑傾斜孔板式消波裝置,并對該裝置的消波性能進行了系統(tǒng)的研究。通過物理模型試驗,對該裝置在不同波長、波高、水深條件下,孔板傾角、間距對反射、透射和消波系數(shù)的影響進行了較為系統(tǒng)的研究分析。另外,還對該裝置在實際工作環(huán)境中的消波效果進行了探討。研究結果表明:試驗范圍內,孔板傾角越小,消波性能越好;相對消波區(qū)域長度相近時,板間距適當減小有助于提高消波性能;該裝置能極好地應用于實際消波工作。
變孔徑傾斜孔板式消波裝置;試驗;反射;透射;消波系數(shù);消波性能
網(wǎng)絡出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20150727.1031.007.html
隨著人們對于波浪方面的研究逐漸深入,波浪水槽成為研究波浪運動特性和機理的重要設備。然而,造波機產(chǎn)生的波浪傳播到水槽盡頭產(chǎn)生的反射波往往會對模型的實際工作環(huán)境產(chǎn)生影響,甚至導致實驗無法正常進行。此外,在進行完一組實驗后會浪費大量“等水”的寶貴時間,延長實驗周期。因此,需要開發(fā)出能夠安置在波浪水槽中的消波裝置以消除波浪反射的不良影響。現(xiàn)在,對消波裝置的開發(fā)已經(jīng)被越來越多的水槽實驗室所重視。對于不同的消波裝置,其消波效果是不同的,而消波性能的好壞會直接影響到波浪水槽試驗的精度。有必要研究開發(fā)新式的消波結構,達到更好的消波效果。
目前有關港工方面的消波結構的試驗研究資料較為豐富,國內外在消波結構方面也取得了一定的進展。Ursell[1]首先研究了無限水深時直立擋板的透射系數(shù),并給出了精確解; Sheng-WenTwu和Cheng-Chung Chieu[2]對單層和多層孔隙率不同的透空材料組成的防波堤的反射系數(shù)和透射系數(shù)進行了研究比較,發(fā)現(xiàn)結構寬度比較窄的時候,結構層數(shù)越多消浪效果越明顯。Kyung-Duck Suh和Yeul Woo Kim[3]通過已知變量出發(fā)推導出可用于預測多種結構類型(包括透空墻)的反射系數(shù)和透射系數(shù)的經(jīng)驗公式;王國玉[4]對多層孔板組成的透空式防波堤結構進行了試驗研究,比較分析了不同因素影響下防波堤透射系數(shù)以及反射系數(shù)的變化規(guī)律;汪宏[5]對開孔率不同的雙層開孔直立式消波板的消波性能進行了研究,分析了透射系數(shù)隨波陡、相對水深及板間距等因素的變化情況;那婧[6]對透空管式防波堤的消浪性能進行了研究,得出了該結構的反射系數(shù)及透射系數(shù)與堤頂寬度、斜率、波陡間的關系;楊甜麗[7]設計了由上下2部分組成的新型防波堤結構,下部的樁基起支撐作用,消波依靠上部開孔的半圓體結構實現(xiàn),研究分析了開孔率、波陡、水深、相對板寬和浸水深度對反射系數(shù)、透射系數(shù)和消波系數(shù)的影響;周效國[8]研究了多層直立開孔擋板透空式防波提的消浪性能在板距布置方式及波要素影響下的變化規(guī)律;蘭波[9]研究了波浪水池中幾種消波裝置的反射系數(shù)并總結了它們的消波效果。
雖然國內外的研究已經(jīng)取得了很多的成果,但波浪與不同種類的透空式消波結構的相互作用情況復雜,需要進一步的研究。文中提出一種由多層變孔徑傾斜式孔板組成的消波結構。通過改變波長、波高、水深和孔板傾角及間距5個因素來分析研究該消波裝置的消波效果,為將來的消波結構分析研究提供依據(jù)。
1.1物理模型設計
變孔徑傾斜孔板式消波裝置總長約3 m,寬度78 cm(水槽寬度80 cm),可傾斜孔板15層,起始孔板水平間距12 cm,多層孔板與水平面夾角大小可通過裝置后端角度調節(jié)架間斷性調節(jié)成30°、45°、60°、75°和90°等5個角度,采用可傾斜的多層孔板是從消耗波浪能量的角度出發(fā),當行進的波浪進入消波裝置,在水平方向上通過層層孔板,其動能逐漸消耗,同時,隨著波浪在豎直方向上的起落,其勢能也能得到相應的消耗。裝置的多層孔板上的孔徑是自波浪所來方向由大到小變化的,以3塊為單位遞減,大小依次為7、6、5、4、3 cm。前面采用孔徑大的孔板是為了使波浪剛開始遇到消波裝置時產(chǎn)生盡量小的反射,而使行進的波浪進入到裝置內部。隨后孔板的孔徑逐漸變小,增大了消波力度,達到了使波浪逐層消除的目的。后面采用孔徑小的孔板是為了增大阻尼,減少波浪透射,并且此處產(chǎn)生的反射波反方向行進時依然能夠得到層層消除。該裝置的多層孔板能夠充分利用與波浪進行相互作用而起到較好的消波效果。裝置及其孔板如圖1。
圖1 消波裝置軸測圖及孔板示意
1.2試驗設備和方法
試驗在哈爾濱工程大學力學基礎實驗室波浪水槽進行,水槽的長度33 m,寬0.8 m,最大水深1 m。造波機為推板式,可造規(guī)則波浪周期范圍0.5~5 s,波高0.03~0.25 m。實驗時消波裝置安裝于造波機前方18 m處,在距離消波裝置前后兩端各3 m處分別設置一組測量設備,每組測量設備包含2個浪高儀,從前之后分別編號為①~④。布置方式如圖2。
圖2 試驗布置圖
所有浪高儀通過DJ800型水工數(shù)據(jù)采集儀與電腦連接采集數(shù)據(jù)。試驗選取5個水深,分別為45、50、55、60和65 cm,每組水深對應得將消波裝置的多層孔板與水平面的夾角分別調整為30°、45°、60°、75°和90°進行試驗。在各個水深各個傾角時,造波板所造規(guī)則波的波長與波高對應情況如表1。
表1 波長與波高試驗組合表
當造波機所造波的波長發(fā)生變化時,需要調整每組測量設備的2個浪高儀的間距,試驗時基本保持2個浪高儀的間距ΔL為所造波長的三分之一,以滿足Goda[10]兩點法計算反射系數(shù)的要求,對應的調整數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 浪高儀間距調整表 m
對應每組工況,造波機工作時間取3 min,浪高采樣間隔0.01 s。一組數(shù)據(jù)采集結束后,等到水槽中水面完全靜止后再進行下一組試驗,以防止水面殘余波動對試驗結果的影響。
孔板間距為12 cm試驗結束后,將孔板間距變?yōu)? cm,重復之前試驗步驟一次,記錄試驗結果。
為了探究消波裝置實際應用時的消波效果,撤去水槽末端的消波網(wǎng),將本試驗消波裝置移到波浪水槽的末端,將消波裝置的多層孔板傾角設定為30°狀態(tài),板間距為12 cm,消波裝置前端3 m處設置一組浪高儀,編號為③、④,消波裝置前端13 m處設置第2組浪高儀,編號為①、②,試驗布置如圖3所示。
圖3 試驗布置圖2
試驗選取固定水深60 cm,造波的波長和波高做適當調整,所造波浪依然為規(guī)則波。試驗采集方式不變,記錄試驗數(shù)據(jù)。同樣,每組工況至少重復3次,處理數(shù)據(jù)時取多次結果的平均值。
試驗主要探討了多層變孔徑傾斜孔板式消波裝置位于水槽中后部時,在入射波的波長、波高及水深等外部因素變化的情況下,不同傾角和間距時的反射系數(shù)、透射系數(shù)和消波系數(shù)的變化規(guī)律,從而更好地優(yōu)化消波裝置的消波效果,并分析了消波裝置位于水槽末端時,應用于實際工作環(huán)境下的消波效果。其中反射系數(shù)Kr為消波裝置前部一次反射波波高與入射波波高的比值,透射系數(shù)Kt為消波裝置后部透射波波高與入射波波高的比值,消波系數(shù)K=1-Kr-Kt。因試驗組次較多,無法將所有試驗結果和分析結論一一列出,所以下面選取具有代表性工況的試驗結果作為主要依據(jù)進行分析。
2.1多層孔板傾角對消波效果的影響
在55 cm水深情況下,選取波長為1.49 m時不同波高的波浪與孔板傾角變化的消波裝置相互作用后的反射系數(shù)、透射系數(shù)和消波系數(shù)作為分析對象,如圖4所示。
圖4 各個波高時的反射、透射和消波系數(shù)與傾角關系
從圖4(a)中可以看出,不同波高波浪的反射系數(shù)在60°~90°時穩(wěn)定在8%左右。裝置的孔板傾角為30°和45°時,反射系數(shù)明顯下降,其中30°傾角時,反射系數(shù)最小,在3%左右。圖4(b)中的透射系數(shù)變化規(guī)律與反射系數(shù)相似,各個波高時均隨傾角增大而增大,且在裝置孔板傾角為30°時,數(shù)值最小;另外,波高越高對應的透射系數(shù)曲線在圖4(b)中的位置越低,即數(shù)值越小。裝置的消波效果從圖4(c)的消波系數(shù)曲線中可以明顯看到30°傾角時最佳,波高為6 cm時數(shù)值達到60%,波高為1 cm時也能達到30%以上,45°傾角時次之,其他3種傾角時消波效果較差,波高為6 cm時約為40%,波高為1 cm時只有不到20%,且各個波高時60°、75°和90°傾角下的消波系數(shù)數(shù)值差別不大,這說明:傾角小于60°后,該消波裝置的消波性能得到明顯增強。
水深不變,選取波高為4 cm時不同波長的波浪與孔板傾角變化的消波裝置相互作用后的反射系數(shù)、透射系數(shù)和消波系數(shù)作為分析對象,如圖5。
圖5 各個波長時的反射、透射和消波系數(shù)與傾角關系
圖5(a)中,0.6 m波長對應的反射系數(shù)隨著孔板傾角的變化有所波動,最大值不超過12%; 2.09 m波長對應的反射系數(shù)基本穩(wěn)定在3%左右;其他3種波長對應的反射系數(shù)隨著傾角由30°增至60°而增大,隨后數(shù)值基本穩(wěn)定。圖5(b)中各組波長波浪的透射系數(shù)都隨著消波裝置孔板傾角的增大而逐漸變大,且波長越短的波浪對應的透射系數(shù)越小,0.6 m波長時,波浪的透射系數(shù)在30°傾角時,只有10%左右。圖5(c)中,消波系數(shù)曲線均隨著傾角的變大而下降,波長為0.6 m時,消波系數(shù)較大,且曲線的下降趨勢明顯;同樣,波長為1.49 m時的曲線下降趨勢也較為明顯;波長越長時,消波系數(shù)越小,且不同傾角時數(shù)值變化不大,這體現(xiàn)出:傾角減小,更好地加強了對波長較短入射波的波能消耗。
圖6顯示了波長為1.49 m,波高為4 cm的波浪,在45~65 cm之間5種不同水深時,與5個傾角狀態(tài)下消波裝置相互作用后的反射系數(shù)、透射系數(shù)和消波系數(shù)的變化曲線。
圖6 各個水深時的反射、透射和消波系數(shù)與傾角關系
圖6(a)中,水深為45 cm時,反射系數(shù)曲線隨著傾角的增大先下降后上升;水深為65 cm時,曲線隨著傾角的增大先下降后上升再下降;其他3個水深時,曲線隨著傾角的增大先上升后下降。圖6(b)中,基本所有的透射系數(shù)均隨著傾斜角度的增大而增加,而且除了45°傾角,其他傾角時的透射系數(shù)曲線大多重合,透射系數(shù)數(shù)值相近。圖6(c)中,傾角由30°增加到60°過程中,消波系數(shù)逐漸減小;傾角從60°增加到90°過程中,消波系數(shù)曲線比較穩(wěn)定,數(shù)值變化不大。
綜合對圖4~6的分析,都能夠看出多層孔板傾角為30°和45°時,消波裝置的消波效果得到了明顯的提升,尤其是30°時,試驗范圍內,消波效果達到最佳。這歸因于傾斜30°放置的多層孔板不僅能夠消除波浪在水平方向的動能,而且能極大地消除其在豎直方向的勢能,從而達到更好的消波效果。
2.2孔板間距對消波效果的影響
將孔板間距為6和12 cm的試驗結果進行比較如圖7,其中間距為6 cm時,裝置長度較短。
圖7 2種間距的3種系數(shù)隨波高變化比較
為了體現(xiàn)合理性,選取裝置消波區(qū)域長度與波長比值(L/l)相近的工況進行后面的分析,其中L=14 Lo。從圖7(a)中可以看出,間距變小后反射系數(shù)略有增大,但仍在7%以下。圖7(b)中,間距為6 cm時透射系數(shù)要明顯小于12 cm間距時,而且隨著波高的增大,二者差值越來越大。圖7(c)中,除了在波高較小為1 cm時,不同間距的消波效果基本相同,波高增大后,6 cm間距的消波系數(shù)要明顯大于12 cm的。
通過圖8比較分析孔板間距分別為6 cm和12 cm時,波高為4 cm情況下,消波裝置的反射系數(shù)、透射系數(shù)和消波系數(shù)隨角度改變的變化規(guī)律。
圖8 2種間距的3種系數(shù)隨傾角變化比較
在30°時,2種間距在圖8(a)中的反射系數(shù)基本相同,但圖8(b)中6 cm間距的透射系數(shù)明顯更小。其他傾角時,間距為6 cm的消波裝置反射系數(shù)偏大,透射系數(shù)偏小,從圖8中2條曲線的變化規(guī)律可以看到,隨著傾角度數(shù)的增大,不同間距時的反射系數(shù)和透射系數(shù)差值都有所減小。這中的差值的變化同樣體現(xiàn)在圖8(c)的消波系數(shù)曲線上??梢钥吹剑瑑A角為30°時,6 cm間距的消波裝置的消波效果要遠好于12 cm間距的裝置,消波系數(shù)高出20%左右。傾角在60°~90°的范圍內,二者的消波系數(shù)差別不大,這一點與前一章對傾角因素的影響分析相符。
在本次試驗范圍內,消波裝置多層孔板的兩兩間距變小后,雖然會增大反射系數(shù),但能夠有效地減小透射系數(shù),從而使消波裝置達到更好的消波效果,尤其在波浪波高較高,多層孔板傾角較小時效果更為明顯。
2.3末端消波裝置反射系數(shù)分析
為了研究文中開發(fā)的消波裝置的消波能力,將消波裝置移到水槽末端,水深為60 cm,觀察不同波長和波高的波浪與多層孔板間距12 cm、傾角30°的消波裝置相互作用后的反射系數(shù)變化情況,如圖9。圖9(a)中,不同波高情況下的反射系數(shù)曲線隨著入射波波長的增加而先下降后上升,波高為1 cm的反射系數(shù)曲線位置整體偏高,反射系數(shù)曲線的最低點集中出現(xiàn)在波長為1.5 cm左右,最小值略小于5%。波高高于2 cm,波長長于0.76 m之后的反射系數(shù)基本不隨波高的增大而變化,從圖9(a)中曲線重合程度和圖9(b)中曲線的平穩(wěn)走勢都能看出這一點。波高為1 cm時,反射系數(shù)較大,主要是由于波高較小時,消波裝置后部孔板的圓孔孔徑相對于這樣的波高仍相對較大,并未能夠使波浪在裝置內部與孔板之間有很好的相互作用以消除波浪。所以,相對于不同大小的波高,如果想要達到比較好的消波效果,就要根據(jù)水槽波高的變化范圍,選取適當?shù)目讖酱笮『脱爻谭植家?guī)律。圖9(b)中,波長為0.39 m時,反射系數(shù)隨著波高的增加而先減小后增大,且變化劇烈。波長為0.39、2.27、2.99 m時,反射系數(shù)在不同波高時都超過了10%。此時的消波裝置對波長為1.54 m的波浪具有很好的消波效果,在波高大于2 cm之后反射系數(shù)約為5%。
圖9 水槽末端消波裝置反射系數(shù)的變化
3.1與透空管式防波堤消波效果比較
將本裝置的部分試驗結果與中國海洋大學研究生那婧的透空管式防波堤模型試驗的部分結果進行比較。在2個試驗中,其他影響因素均起到最佳消波效果時,選取入射波波高為6 cm情況下2種裝置的試驗結果,在共有的波陡范圍內比較分析它們的反射系數(shù)、透射系數(shù)和消波系數(shù)變化情況。
從對圖10的分析中可以得出:波陡范圍在0.01~0.07之間時,傾斜孔板式消波裝置的反射系數(shù)明顯小于透空管式防波堤的反射系數(shù); 2種裝置的透射系數(shù)都隨著波陡的增大而有明顯的減小趨勢,傾斜孔板式消波裝置的透射系數(shù)相對較大一些;傾斜孔板式消波裝置的消波系數(shù)隨著波陡的增大而逐漸增大,透空管式防波堤的消波系數(shù)隨著波陡的增大而先增大后減小,總體看來前者的消波系數(shù)更大,消波效果更好。
3.2與鐵絲網(wǎng)陣、箱式和圓弧形消波裝置進行比較
將變孔徑傾斜孔板式消波裝置至于水槽末端的反射系數(shù)與蘭波試驗研究中鐵絲網(wǎng)陣、箱式和圓弧形消波裝置的反射系數(shù)進行比較,如圖11所示。4種消波裝置都在波浪波長為1.5 m左右時的消波效果較佳,此處,鐵絲網(wǎng)陣的反射系數(shù)在44%左右,箱式的反射系數(shù)也超過了10%,圓弧形的反射系數(shù)約為3%,變孔徑傾斜孔板式的反射系數(shù)為5%。波長從1.5 m增大到3 m的過程中,4種消波裝置的反射系數(shù)都有所增大,在波長大于2.3 m之后,箱式的反射系數(shù)開始略小于變孔徑傾斜式,圓弧形的反射系數(shù)增加不大。由此可見,在波浪波長為1.5 m左右時,變孔徑傾斜孔板式的消波效果比前兩者要好得多,而比圓弧形的消波效果略差。但是,從圓弧形消波裝置的原理可以分析得出,該裝置消波效果對液面的高度將是敏感的,遠沒有變孔徑傾斜孔板式消波裝置對水深變化的適應能力強。
圖11 4種消波裝置反射系數(shù)比較
通過對多層變孔徑傾斜孔板式消波裝置的試驗研究,文中深入探討了在應對不同水深和入射波的情形下,孔板的傾斜角度、板間距對該消波裝置消波效果的影響,得出了不同情況下波浪與消波裝置相互作用后的反射系數(shù)、透射系數(shù)和消波系數(shù)與各影響因素間的關系,總結規(guī)律如下:
1)本次試驗范圍內,入射波與變孔徑傾斜孔板式消波裝置相互作用后的反射系數(shù)總體數(shù)值較小,在10%以下隨波高的增大而增大;隨波長增大而先減小后增大,波長為2 m左右最小。透射系數(shù)隨波高的增大而減小;隨波長的增大而增大。消波系數(shù)與透射系數(shù)規(guī)律相反。說明該裝置更好的適用于對大波高小波長波浪的消除。
2)變孔徑傾斜孔板式消波裝置的孔板傾角在30°~90°范圍內,其消波效果隨著傾角的變小而越來越好。傾角為30°時,增強了對入射波浪在豎直方向上勢能的消除,起到了更好的消波效果。
3)消波裝置的相對消波區(qū)域長度L/l相近時,多層孔板的兩兩間距適當減小能夠起到更好的消波效果,但最優(yōu)間距有待進一步探究。
4)板間距為12 cm的消波裝置安置于水槽末端,對1.5 m左右波長入射波的消波效果極佳。
所得研究結果反映了該消波裝置消波效果的主要影響因素和變化趨勢。變孔徑傾斜孔板式消波裝置與其他透空式防波消波結構相比已經(jīng)具有明顯的消波優(yōu)勢,但有待對消波裝置自身孔板的數(shù)目及孔板上孔徑大小和排列方式做出改變后去進一步研究消波效果的變化規(guī)律,以改善現(xiàn)今的消波裝置。同時,本試驗研究所得結論是基于規(guī)則波的實驗結果,對于該消波裝置在不規(guī)則波作用下的消波效果需要進一步研究。
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An experimental study of the variable-diameter tilted perforated plate type wave dissipation device
ZHANG Hongyu,ZHANG Xin
College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China
In order to shorten the time of "waiting water" in the progress of experiment in wave flume,and to provide the working condition that is closer to actual situation for those experiments,this article provides a new variable-diameter tilted perforated plate type wave dissipation device,and makes a systematic study on the wave dissipation ability of the device.Through physical model experiment,the change regularity of reflection,transmission and dissipation coefficients caused by different angles and spacing of perforated plates are studied in different conditions of wave-length,wave-height and water-depth.In addition,the wave dissipation effect of the device performed in the real work is researched.It is proven that in the experimental range,the smaller the tilt angle for all perforated plates,the better the property of wave dissipation; when the lengths of relative wave dissipation areas are similar,decreasing the spacing of perforated plates properly is helpful to improve the properties of wave dissipation; the device can be used in the real work for wave dissipation wonderfully.
variable-diameter tilted perforated plate type wave dissipation; experiment; reflection; transmission; dissipation coefficient; wave dissipation property
TV139.2
A
1009-671X(2015) 04-074-07
10.3969/j.issn.1009-671X.201501001
2015-01-04.網(wǎng)絡出版日期: 2015-07-27.
張洪雨(1957-),男,教授,博士;張鑫(1989-),男,碩士.
張鑫,E-mail: 786660107@qq.com.