周效國(guó),曹鳳龍,李丁丁

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212100)(2.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212100)

相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的防波堤,透空堤具有經(jīng)濟(jì)輕便、施工快捷、拆除方便、有效保護(hù)掩護(hù)水域內(nèi)水體環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[1]．現(xiàn)階段對(duì)透空堤消浪性能的研究,主要借助物理模型試驗(yàn),而物理模型試驗(yàn)需要花費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力,相比而言,數(shù)值模擬具有花費(fèi)少、時(shí)間短、節(jié)約人力物力資源等優(yōu)點(diǎn),且便于優(yōu)化設(shè)計(jì),比物模試驗(yàn)更自由靈活,并且能對(duì)物模試驗(yàn)難以測(cè)量的量做出估計(jì),同時(shí),數(shù)值模擬還具有良好的重復(fù)性、條件易于控制、可以反復(fù)模擬等優(yōu)點(diǎn)．隨著CFD技術(shù)的日趨完善,采用數(shù)值方法模擬波浪和透空式防波堤相互作用已被越來(lái)越多運(yùn)用到實(shí)際工程中[2-4]．文獻(xiàn)[5]通過(guò)建立垂直透空堤的數(shù)值模型,分析了透空堤對(duì)斜向來(lái)浪的衰減作用,得到開(kāi)孔率及相對(duì)寬度是影響該結(jié)構(gòu)消浪性能的主要影響因素;文獻(xiàn)[6]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)開(kāi)孔透空堤的消浪性能進(jìn)行分析,證明開(kāi)孔率、結(jié)構(gòu)尺寸、相對(duì)波長(zhǎng)等是影響其消浪性能的主要因素;文獻(xiàn)[7]通過(guò)建立數(shù)值水平斜板透空式防波堤模型研究了防波堤對(duì)透浪系數(shù)的影響,結(jié)果表明:透射系數(shù)隨防波堤水平板間距的增加而增加,隨防波堤相對(duì)板寬的增加而減少,隨著波陡和出水高度的增加,透射系數(shù)先增大后減小;文獻(xiàn)[8]利用數(shù)值模擬方法,研究了在規(guī)則波作用下高樁擋板透空式防波堤的消浪效果,研究表明，增加擋板入水深度、堤頂相對(duì)寬度、相對(duì)水深是減小透射系數(shù)的有效方法;文獻(xiàn)[9]對(duì)雙側(cè)擋板透空式防波堤的透浪性能進(jìn)行了數(shù)值研究,發(fā)現(xiàn)擋板入水深度、相對(duì)板間距、入射波高、波周期是影響透浪系數(shù)的主要因素,且透浪系數(shù)隨著入水深度和相對(duì)板間距的增大而減小,隨著入射波高和波周期的增加而增加;文獻(xiàn)[10]對(duì)弧板式透空堤的消浪特性進(jìn)行數(shù)值研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):板式透空堤的消浪系數(shù)隨著入射波周期和相對(duì)波高的增加而增加,隨著相對(duì)板寬的增加消浪系數(shù)呈減小趨勢(shì);文獻(xiàn)[11]用數(shù)值模擬方法研究和分析了T型防波堤的消浪特性,在淹沒(méi)狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)相對(duì)板寬和波陡是影響透射系數(shù)的主要因素,在出水狀態(tài)下,波陡對(duì)透射系數(shù)的影響更為顯著;文獻(xiàn)[12]用數(shù)值模擬方法對(duì)雙層板式防波堤的消浪特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)防波堤的消浪系數(shù)隨著相對(duì)板寬和相對(duì)波高的增加而增加,隨著水深的增加,消浪系數(shù)減小;文獻(xiàn)[13-14]基于SPH法建立防波堤數(shù)值模型,研究了防波堤在不同工況下的透射系數(shù)和反射系數(shù),結(jié)果表明,入射波高、波浪周期是影響防波堤消浪特性的主要因素．

波浪理論表明:波浪能量主要集中在水體上部,在水面以下3倍波高范圍內(nèi)集中了約98%的波浪能量;波浪水質(zhì)點(diǎn)做橢圓形運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)軌跡隨水深、波高、波浪周期的改變而改變．根據(jù)波能分布及波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,設(shè)計(jì)了一種由不同孔徑、不同開(kāi)孔率、不同底高程的多層直立擋板組成的透空式防波堤,利用不同尺度的開(kāi)孔來(lái)逐層破壞波浪水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,從而達(dá)到消能的目的．

文中基于物理模型建立數(shù)值模型,物理模型與數(shù)值模型具有相同的尺寸,通過(guò)STARCCM模擬了波浪周期、波高、擋板間距等因素對(duì)消浪效果的影響,并與物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比．

1 物理模型

物理模型的設(shè)計(jì)基于某港口的水文資料,水文要素如表1．

表1 水文要素Table 1 Hydrologic elements

物理模型試驗(yàn)是在長(zhǎng)40 m、寬0.8 m、高1 m的水槽中進(jìn)行，水槽一端裝有造波機(jī),可產(chǎn)生單向規(guī)則波．防波堤模型斷面如圖1,物理模型幾何比尺為1 ∶30,防波堤模型高0.97 m(防波堤高29.1 m),寬0.6 m(防波堤寬18 m),迎水面長(zhǎng)0.79 m(防波堤長(zhǎng)23.7 m),模型中間滑道供Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ擋板滑動(dòng)調(diào)整板間距．Ⅰ、Ⅲ擋浪板底高程為16 m(模型底高程0.53 m),Ⅱ、Ⅳ擋浪板底高程為11 m(模型底高程0.37 m),下端有4對(duì)叉樁支撐,叉樁傾斜度為3 ∶1[15]．

圖1 防波堤模型斷面Fig.1 Section of breakwater model

根據(jù)波浪水質(zhì)點(diǎn)做橢圓形運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),且波高、周期越大,波浪水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)尺度越大,為使該透空防波堤具有較好的消浪效果,擋浪板開(kāi)孔(橢圓形)孔徑需小于較小波高與較小周期下水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)尺度．在物理模型設(shè)計(jì)時(shí),Ⅰ、Ⅲ擋浪板主要基于高水位波浪,因此基于設(shè)計(jì)高水位h=25 m、波高H=1.5 m、波周期T=7 s設(shè)計(jì)了擋浪板Ⅰ、Ⅲ的開(kāi)孔情況;Ⅱ、Ⅳ擋浪板主要基于低水位波浪,因此基于低水位h=20 m、波高H=1.5 m、波周期T=7 s設(shè)計(jì)了擋浪板Ⅱ、Ⅳ的開(kāi)孔情況．依據(jù)波浪理論,波浪水質(zhì)點(diǎn)做橢圓形運(yùn)動(dòng)尺度為：

式中:A為水質(zhì)點(diǎn)橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)軸尺度；B為水質(zhì)點(diǎn)橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡的短軸尺度；z為擋浪板開(kāi)孔位置；h為設(shè)計(jì)水位．

試驗(yàn)采用規(guī)則波,模型試驗(yàn)波要素條件如表2．

表2 試驗(yàn)波要素條件Table 2 Test wave element conditions

2 數(shù)值模擬

首先使用SOLIDWORKS建立防波堤數(shù)值模型,然后將防波堤數(shù)值模型導(dǎo)入STARCCM軟件中,在STARCCM中建立數(shù)值波浪水槽,接著對(duì)防波堤數(shù)值模型及數(shù)值波浪水槽進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件及初始條件設(shè)置,最后由STARCCM軟件完成消浪性能計(jì)算．

2.1 數(shù)值模型的建立

叉樁、滑道及上側(cè)擋浪墻對(duì)消浪而言幾無(wú)作用,因此在數(shù)值分析中,只保留了4塊擋浪板,4塊擋浪板板間距布置方案如表3,數(shù)值防波堤模型中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4塊擋浪板布置如圖2,其中擋浪板Ⅰ、Ⅲ的底高程為0.53 m,擋浪板Ⅱ、Ⅳ的底高程為0.37 m．擋浪板的開(kāi)孔率從第Ⅰ塊到第Ⅳ塊依次為35.57%、29.47%、25.42%、19.18%,表4以第Ⅳ塊擋浪板模型為例給出詳細(xì)開(kāi)孔參數(shù)．

表3 板間距布置方案Table 3 Layout scheme of plate spacing

圖2 擋浪板模型Fig.2 Model of wave screen

表4 擋浪板Ⅳ的開(kāi)孔參數(shù)(橢圓孔)Table 4 Hole parameters of wave plate Ⅳ(elliptical hole)

2.2 數(shù)值波浪水槽的建立

為與物模結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì),建立的數(shù)值波浪水槽長(zhǎng)40 m,寬0.8 m,高1 m,防波堤模型安置于距左邊界12 m處,模型長(zhǎng)60 cm,寬79 cm,高96.7 cm．在模型前后共設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以記錄波面的變化．1、2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置于模型前,至模型的距離依次為4、2 m,用以記錄模型前的入射波高,3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置于模型后2 m處,用以記錄透射波高．?dāng)?shù)值水槽示意如圖3．

圖3 數(shù)值水槽示意Fig.3 Schematic diagram of numerical sink

2.3 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分中,面網(wǎng)格選取表面重構(gòu),體網(wǎng)格組合選取切割體網(wǎng)格生成器和棱柱層網(wǎng)格生成器．其中網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為0.1 m,將擋浪板部分和波面部分進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,加密后的擋浪板部分網(wǎng)格尺寸為0.01 m,加密后波面部分中,波長(zhǎng)方向網(wǎng)格尺寸為0.015 m，波高方向網(wǎng)格尺寸為0.005 m，寬度方向網(wǎng)格尺寸為0.02 m．

2.4 邊界條件和初始條件

邊界條件設(shè)定:采用邊界條件造波的方法,水槽前后兩個(gè)側(cè)面定義為對(duì)稱平面,水槽入口、底部、出口均定義為速度進(jìn)口邊界,其中出口部分設(shè)置VOF波阻尼進(jìn)行消波,水槽頂部與大氣相連,定義為壓力出口邊界．

初始條件設(shè)定:波浪選取一階VOF波,重力基準(zhǔn)值g=-9.81 g/m2,參考密度ρ=1.0 kg/m3,設(shè)置初始?jí)毫橐浑AVOF靜水壓力場(chǎng)函數(shù),初始速度為一階VOF波速度場(chǎng)函數(shù),體積分?jǐn)?shù)初始條件為水與空氣的復(fù)合函數(shù)．

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)值波浪水槽的驗(yàn)證

在模擬防波堤的消浪效果前,先在未加入防波堤的數(shù)值波浪水槽中造波,以檢驗(yàn)造波條件是否符合模擬要求．各工況組次如表5,以第3組工況為例,監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2號(hào)處波面的時(shí)間過(guò)程線如圖4．

表5 工況組次Table 5 Group order of working conditions

圖4 兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的時(shí)間過(guò)程線Fig.4 Time process line at two monitoring points

通過(guò)圖4兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間過(guò)程線可知,計(jì)算值與理論值吻合良好,誤差控制在±5%以內(nèi),由此可知建立的波浪數(shù)值水槽可以滿足模擬防波堤消浪效果的要求．

3.2 防波堤消浪效果計(jì)算

模擬防波堤的消浪效果同樣使用表5所給出的工況,以方案3為例,監(jiān)測(cè)1、2、3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的波面,3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的波面時(shí)間過(guò)程線如圖5,標(biāo)量場(chǎng)景如圖6．堤后波高由3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)出,入射波高由2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)出,防波堤的消浪效果用消浪系數(shù)K表示：K=1-Ht/Hi,Ht為堤后波高,Hi為入射波高波高．

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間過(guò)程線Fig.5 Time process line of the monitoring point

圖6 標(biāo)量場(chǎng)景Fig.6 Scalar scenario

3.3 波高對(duì)消浪效果的影響

圖7為5、7、10 cm 3種波高在不同水位條件,不同周期時(shí)數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)的比對(duì)結(jié)果,結(jié)果表明:消浪系數(shù)隨著波高的增大而增大,波高H=10 cm時(shí)消浪系數(shù)最好．

圖7 波高對(duì)消浪效果的影響Fig.7 Effect of wave height on wave dissipation effect

3.4 周期對(duì)消浪效果的影響

圖8為波浪周期分別為1.2、1.5、1.8 s,波高H=10 cm,低水位0.67 m和高水位0.83 m時(shí)數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)的比對(duì)結(jié)果,可以看出周期越大,消浪效果越好．

圖8 周期對(duì)消浪效果的影響Fig.8 Influence of period on wave dissipation effect

3.5 擋浪板間距對(duì)消浪效果的影響

在低水位0.67 m,波高10 cm,周期1.2 s時(shí),分析了5種板間距布置方案對(duì)消浪效果的影響．由圖9可知方案5的消波效果最好,即前疏后密的擋浪板布置方案優(yōu)于其他的板間距布置方案,這與物模的結(jié)果是一致的．

圖9 擋浪板布置方案對(duì)消浪效果的影響Fig.9 Effect of wave baffle plate arrangementon wave elimination effect

通過(guò)數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)合的方法研究了波高、波浪周期、板間距布置方案等因素對(duì)透空式防波堤消浪效果的影響規(guī)律,從圖7、8、9可以看出:① 數(shù)模中各要素對(duì)多層擋板透空式防波堤的消浪效果的影響規(guī)律與物模結(jié)果一致,其消浪系數(shù)在0.35～0.45;② 入射波周期越大,消浪效果越好;入射波波高越大,消浪效果越好;沿波浪傳播方向防波堤寬度不變的情況下,擋板間距前疏后密的布置方案,其消浪效果優(yōu)于其它板距布置方案．

從圖7、8、9可以看出,數(shù)值模擬的消浪系數(shù)略大于物理模型試驗(yàn)的消浪系數(shù)，其原因主要是:① 數(shù)值模擬由于網(wǎng)格劃分尺寸的影響,使數(shù)值模擬中擋板的開(kāi)孔尺寸與物理試驗(yàn)中擋板的開(kāi)孔尺寸存在差異,從而有可能導(dǎo)致數(shù)值模擬的消浪效果優(yōu)于物理模型試驗(yàn)的結(jié)果．② 在物模過(guò)程中,Ⅱ、Ⅳ兩塊擋浪板沒(méi)有伸至堤頂,試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),有部分波浪越過(guò)擋浪板從而導(dǎo)致堤后波高增大．③ 在物模試驗(yàn)過(guò)程中,波浪作用于直立擋板時(shí),擋板產(chǎn)生擾動(dòng),造成二次造波,是物模消浪效果不及數(shù)模結(jié)果的另一個(gè)重要原因．

4 結(jié)語(yǔ)與展望

(1) 基于STARCCM軟件,建立了同時(shí)具有造波與消除反射波功能的數(shù)值波浪水槽,成功地模擬了多層擋板透空式防波堤的消浪特性．

(2) 鑒于數(shù)值模擬具有省時(shí)、省力、節(jié)約費(fèi)用以及易于修改等優(yōu)點(diǎn),在以后的研究中可以用基于STARCCM數(shù)值方法開(kāi)展透空堤消浪性能研究．

(3) 多層直立擋板透空式防波堤的消浪系數(shù)在0.35～0.45,消浪系數(shù)相對(duì)較小,為進(jìn)一步提高透空式防波堤的消浪效果,從改善透空式防波堤結(jié)構(gòu)型式出發(fā),可考慮在直立擋浪板內(nèi)部增加水平消浪板,有望取得更好的消浪性能,可進(jìn)一步研究．