彭 程，張華慶，張慈珩，趙 鵬

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

在海洋工程領域，實驗水池的核心技術之一是波浪模擬技術，波浪模擬的性能和精度是保證實驗水池整體能力與水平的關鍵問題。對于波浪模擬，反射波是干擾其精確模擬的主要影響因素之一；消波裝置的作用在于最大程度消除實驗水池中反射波的影響，因此消波裝置消浪效果的好壞直接影響了水池試驗數(shù)據(jù)的準確性[1]。國內外主要海工實驗水池消波裝置大部分采用透空式消波結構，此類結構的設計原理主要應用波能主要集中在水體上層這一波浪理論[2]。國內外各研究學者關于透空式消波結構的研究手段主要包括理論分析，數(shù)值模擬和物理模型試驗。在理論分析方面，Madsen[3]運用線性波理論對波浪穿過直立式透空結構的反射和透射系數(shù)的試驗值進行了良好的驗證；Kyund等[4]采用特征函數(shù)展開法研究明基床上開孔沉箱對波浪的反射作用；Issacson[5]等應用線性波理論建立數(shù)學模型對波浪與氣室內填充碎石的開孔透空結構的相互作用進行了模擬；Karim等[6]基于不可壓縮粘性流體運動理論,對波浪通過垂直孔隙結構的傳播變形問題進行了數(shù)值模擬,得到結構的寬度和孔隙率是結構反射的主要影響因素；蘭波等[7]采用五種不同理論計算方法，對四種不同型式消波結構的消波效果進行了試驗比較研究。在數(shù)值模擬方面，李世森等[8]基于FLOW3D有限差分求解程序建立數(shù)值波浪水槽模型，分析孔隙率和消波裝置長度對消波性能的影響；耿寶磊等[9]基于勢流理論模擬直墻前透空薄板的組合參數(shù)G對波浪的反射系數(shù)、透射系數(shù)的影響進行了計算分析；任喜峰等[10]基于sph方法模擬規(guī)則波與開孔結構的相互作用，分析了結構反射系數(shù)的影響因素；吳瑤瑤[11]利用N-S方程構建了波浪與板式透空堤相互作用的數(shù)值模型，研究相對潛深、相對波高、相對板寬和結構型式對透射系數(shù)的影響。在物理模型試驗方面，Jarlan[12]對一種迎浪面擋板開孔，中間為消能氣室，背側擋板不可滲的防浪結構的消浪效果進行了研究；戴冠英等[13]給出規(guī)則波與不規(guī)則波作用下研究開孔直立墻與開孔直立墻后帶有一道實體直立墻的結構反射試驗結果；嚴以新等[14]研究一種多層擋板透空式防浪結構的消浪特性，通過試驗分析出消浪效果的主要影響因素是擋板的透空率及設置方式；陳旭達等[15]討論了相對板間距、相對潛深對雙層水平板型防浪結構的消波能力的影響；Huang等[16]比較分析了波浪在有實體后墻和無實體后墻的開孔透空結構的傳播和反射特性；LI等[17]探究了不同開孔形狀和開孔率的開孔板的透射和反射系數(shù)的變化規(guī)律；張洪雨等[18]通過物模試驗研究一種變孔徑傾斜孔板式消波裝置的孔板傾角和間距在不同波浪條件下對反射和透射系數(shù)的影響；胡偉等[19]通過試驗研究了波高、周期和水深的變化對三種不同消波裝置消波能力的影響。

上述研究主要針對豎向孔隙薄板、帶孔水平剛性板以及水平板與豎直板相結合等結構形式。相關研究成果表明：豎向孔隙結構使水質點產(chǎn)生垂向紊動而消耗一部分波能，影響深水波浪的傳播前進；水平孔隙結構能破壞水質點的豎向運動軌跡，使波浪發(fā)生淺水效應，波浪通過孔隙結構時發(fā)生破碎，達到衰減波能的作用[20-22]。本文研究背景為擬建深水實驗池消波系統(tǒng)的工藝論證工作，消波系統(tǒng)主要由弧形消波裝置和結構后方的落水槽和循環(huán)水泵組成；弧形消波裝置結構主體為帶孔隙的圓弧形斜坡，兼具了豎向孔隙結構和水平孔隙結構的消波特性，能同時破壞水質點的橫向和豎向運動軌跡，達到較好的消波效果；本文通過物理模型試驗研究弧形消波結構的消波特性，用反射系數(shù)評估消波裝置的消浪效果，重點探討消波結構本身孔隙率的變化和孔隙率組合方式對消浪效果的影響，可為實驗水池消波系統(tǒng)的設計選型和優(yōu)化方式提供一定的參考。

1 試驗概述

1.1 試驗設備和模型布置

試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究院波浪水槽中進行，水槽長68 m，寬1.0 m，高1.5 m。水槽一端安裝有電機伺服驅動推板吸收式造波機，可以產(chǎn)生規(guī)則波與不規(guī)則波。水槽兩端均設有消波裝置，同時水槽底部設有連通管，以使試驗過程中模型兩側的水位保持不變。波高采用浪高儀測量，并應用Goda兩點法[23]對波浪進行入反射分離，以計算消波結構的反射系數(shù)。

圖1 模型實景照片弧形消波結構圖及模型實體照片(單位：尺寸mm)Fig.1 Sketch and model photo of wave absorbing structure

圖2 模型示意及傳感器布置圖(單位：尺寸mm)Fig.2 Model diagram and sensor layout

本次試驗按照正態(tài)重力相似準則設計模型，模型幾何比尺λ=5。選取弧形消波結構放置在水槽中，該結構由弧形孔隙板和承重墩臺組成，主體結構長度為2.5 m，高度為0.9 m，弧形孔隙板和主體結構與實驗水槽同寬，為1.0 m，見圖1；弧形孔隙板曲率半徑為3.8 m，厚度為12 mm，表面孔隙率分別為20%，30%，40%和50%。試驗中沿水槽中心線布置2個浪高儀，距離模型前端分別為1.7 m和2.0 m，滿足本次試驗條件下應用Goda兩點法的使用要求。模型示意及傳感器布置見圖2。

1.2 試驗條件

試驗水位d為0.5 m，入射波浪采用規(guī)則波，其中波高H變化范圍為0.03～0.12 m，周期T變化范圍為1.2～2.4 s。不同試驗工況組合見表1。

表1 試驗波浪參數(shù)表Tab.1 Wave parameter in the experiment

1.3 試驗方法

依據(jù)《波浪模型試驗規(guī)程》(JTJ/T234-2001)，在布置弧形消波模型之前對上述每組波浪進行率定，率定點位于模型結構中間位置。試驗中忽略從造波機造出的前4～5個不穩(wěn)定波浪后再進行采集，每組試驗采集20個完整規(guī)則波波列進行分析，另外為避免出現(xiàn)不穩(wěn)定結果，每組試驗重復3次。數(shù)據(jù)分析中，利用Goda兩點法處理試驗數(shù)據(jù)，計算弧形消波結構的反射系數(shù)KR。

2 試驗結果與分析

2.1 單層孔隙板不同孔隙率對反射系數(shù)的影響

圖3 單層孔隙板不同孔隙率對反射系數(shù)的影響Fig.3 Results of different porosity on reflection coefficient of single layer pore plate

試驗選取單層板弧形消波結構的孔隙率分別為20%、30%、40%和50%，開孔型式為條形，不同孔隙率對應的表面孔隙間距見表2。不同孔隙率對反射系數(shù)的影響結果見表2，為方便讀者查看，用圖3表示試驗結果。試驗結果表明，當入射波浪要素不變時，隨著孔隙率由50%降低到30%，波浪在弧形板表面爬高增大，波能耗散，穿過弧形板表面孔隙進入消波結構內部的波浪減少，因此經(jīng)模型后方直立墻返回的波浪也減小，最終表現(xiàn)為消波結構的反射系數(shù)減小。當孔隙率達到最小為20%時，反射系數(shù)反而增大，這是由于弧形板的開孔間距過小，大部分波浪不能穿過弧形板表面進入消波結構內部而被弧形板直接返回，無法有效消耗波浪能量，加大了波浪的反射。因此，當弧形板表面孔隙率為30%時，單層板弧形消波結構的反射系數(shù)最?。黄渲?，第四組試驗 (H=0.12 m,T=1.2 s)時的反射系數(shù)達到最小值，為0.13。

表2 孔隙板不同孔隙率對應的孔隙間距Tab.2 The pore spacing corresponding to different porosity

表3 單層孔隙板不同孔隙率的反射系數(shù)結果Tab.3 Results of different porosity on reflection of single layer pore plate

2.2 模型優(yōu)化設計及布置

上述試驗現(xiàn)象表明，波浪與弧形消波結構作用后的反射波主要分為兩部分：一部分是波浪在結構上爬高時被弧形板反射的波浪；另一部分是穿過弧形板表面進入消波結構內部后被直墻反射回的波浪。二者疊加后的反射波是影響消波結構反射系數(shù)的主要因素，前者可通過適當降低弧形板表面的孔隙率使進入消波結構內部及經(jīng)弧形板反射的波浪減小，對此，前文根據(jù)試驗結果已經(jīng)得到了該消波結構最優(yōu)的孔隙率；后者可通過優(yōu)化消波灘內部結構來使經(jīng)過后方直墻反射回的波高減小。

根據(jù)上述試驗結果，最優(yōu)孔隙率時的單層板弧形消波結構的反射仍較大，不同波浪條件下反射系數(shù)在0.13～0.44之間。參考相關研究成果，對于降低豎向孔隙薄板、帶孔水平剛性板前反射系數(shù)的優(yōu)化方法常為變單層板為雙層板結構[24]。因此，在上層弧形孔隙板下方增加一段單層弧形孔隙板，形成雙層復合消波結構，上下兩層孔隙板間距為0.06 m，見圖4；垂直方向高度考慮波峰時刻波浪沖擊消波結構表面向上爬高和波谷時刻波谷回吸的主要影響范圍[25]，選取試驗水深的水面線上下一倍最大試驗波高高度，即下層孔隙板垂直方向高度為0.24 m。在優(yōu)化試驗中，上層孔隙板孔隙率選取前文試驗得到的最優(yōu)孔隙率30%，下層孔隙板孔隙率選取20%、30%和40%，研究該結構消波性能最佳的雙層孔隙板孔隙率組合以及不同波浪條件對消波結構反射系數(shù)的影響。

圖4 雙層復合弧形消波結構及模型實體照片(單位：尺寸mm)Fig.4 Sketch and model photo of double-layer wave absorbing structure

2.3 雙層孔隙板不同孔隙率組合對反射系數(shù)的影響

雙層復合消波結構在試驗中波峰時刻和波谷時刻的試驗現(xiàn)象見圖5和圖6。波峰時刻，下層孔隙板對經(jīng)直墻反射回的波浪有明顯的阻礙作用，減少部分反射波的影響；波谷時刻，波浪穿過下層孔隙板的過程中耗散了部分能量。雙層孔隙板之間的空隙形成類似半密閉消浪室，使每一個波在行進和返回過程中，通過消波結構的次數(shù)由單層孔隙板時的2次增加為4次，最大程度地減少了穿過雙層孔隙板進入消波結構內部的以及浪和經(jīng)直墻二次反射的波浪。

圖5 波峰時刻雙層復合消波結構試驗現(xiàn)象Fig.5Phenomenonofdouble-layerwaveabsoringstructureatwavecresttime圖6 波谷時刻雙層復合消波結構試驗現(xiàn)象Fig.6Phenomenonofdouble-layerwaveabsoringstructureatwavetroughtime

圖7 雙層孔隙板不同孔隙率對反射系數(shù)的影響Fig.7 Results of different porosity on reflection coefficient of double-layer pore plate

雙層孔隙板不同孔隙率組合對反射系數(shù)的影響結果見表4，為方便讀者查看，用圖7表示試驗結果。與前文單層孔隙板的試驗結果相比，雙層孔隙板時的反射系數(shù)均有所減?。划斎肷洳ɡ艘夭蛔儠r，反射系數(shù)隨著下層孔隙板孔隙率由40%降至20%。增加的下層孔隙板顯著降低了波浪經(jīng)直墻的二次反射，使反射系數(shù)降低。因此，當雙層復合消波結構上層孔隙板孔隙率為30%，下層孔隙板孔隙率為20%時，反射系數(shù)最小；此時，與單層孔隙板最優(yōu)孔隙率30%時相比，不同試驗條件下結構反射系數(shù)降低幅度在27%～69%之間，平均降低幅度約為41%。其中，第四組試驗 (H=0.12 m，T=1.2 s)時的反射系數(shù)達到最小值，為0.05。

表4 雙層孔隙板不同孔隙率的反射系數(shù)結果Tab.4 Results of different porosity on reflection of double-layer pore plate

2.4 波高的影響

不同波高對單層板和雙層板的反射系數(shù)影響結果如圖8和圖9所示。隨著入射波高由0.03 m增大至0.12 m，波浪沿弧形孔隙板向上爬高增大，爬高過程中波能沿程損失增加，且穿過孔隙板進入結構內部時水面以上的水體跌落耗散的能量增加，因此單層板和雙層板的結構的反射系數(shù)均有所減小。以T=1.2 s時為例，波高H=0.03 m、0.06 m、0.09 m和0.12 m時，單層孔隙板的反射系數(shù)分別為0.36、0.18、0.16和0.13，雙層孔隙板的反射系數(shù)分別為0.11、0.08、0.07和0.05。

圖8 不同入射波高對單層孔隙板反射系數(shù)的影響Fig.8Resultsofdifferentwaveheightonreflectioncoefficientofsinglelayerporeplate圖9 不同入射波高對雙層孔隙板反射系數(shù)的影響Fig.9Resultsofdifferentwaveheightonreflectioncoefficientofdouble-layerporeplate

圖10 不同入射周期對單層孔隙板反射系數(shù)的影響Fig.10Resultsofdifferentwaveperiodonreflectioncoefficientofsinglelayerporeplate圖11 不同入射周期對雙層孔隙板反射系數(shù)的影響Fig.11Resultsofdifferentwaveperiodonreflectioncoefficientofdouble-layerporeplate

2.5 周期的影響

不同周期對反射系數(shù)的影響結果如圖10和圖11所示。隨著波周期從1.2 s增加至2.4 s，單層孔隙板和雙層孔隙板的結構前反射系數(shù)均有所增大。對于最小試驗波高H=0.03 m，T=1.2 s、T=1.6 s、T=2.0 s和T=2.4 s時，單層孔隙板的反射系數(shù)分別為0.36、0.40、0.41和0.44，雙層板的反射系數(shù)分別為0.11、0.25、0.29和0.30；對于最大試驗波高H=0.12 m，T=1.2 s、T=1.6 s和T=2.0 s時，單層孔隙板的反射系數(shù)分別為0.13、0.25、0.27和0.31，雙層孔隙板的反射系數(shù)分別為0.05、0.13、0.19和0.20。

3 結論

(1)單層孔隙板孔隙率取20%、30%、40%和50%，開孔型式為橫向條形的試驗條件下，弧形板表面孔隙率為30%時消波結構的反射系數(shù)最小；在H=0.12 m,T=1.2 s時，反射系數(shù)達到最小值，為0.14。

(2)上層孔隙板孔隙率30%，下層孔隙板孔隙率20%、30%和40%試驗條件下，雙層孔隙板消浪效果明顯優(yōu)于單層孔隙板，反射系數(shù)平均降低幅度約為41%；且上層孔隙板孔隙率為30%，下層孔隙板孔隙率為20%時，消波結構的反射系數(shù)最?。辉贖=0.12 m，T=1.2 s時，反射系數(shù)達到最小值，為0.06。

(3)弧形消波結構在規(guī)則波作用下，當其他條件不變時，結構的反射系數(shù)隨波高增大而減小，隨周期增大而增加。

(4)弧形消波結構的消波機理為同時破壞水質點的橫向和豎向運動軌跡。因此，弧形消波裝置的表面形狀變化即不同弧度的弧形消波裝置的消浪效果也應有所不同，可進行進一步的試驗研究。本文試驗結果和結論均是在一種弧度的弧形消波結構下進行。

(5)本文主要研究弧形孔隙板開孔率對其反射系數(shù)的影響，因此僅模擬消波結構本身和實驗水池岸壁，并未考慮消波結構后的落水槽及循環(huán)水泵；通過優(yōu)化試驗得到了消波結構的最優(yōu)孔隙率組合，試驗結果不代表整體消波系統(tǒng)的消浪性能。