多层变孔径倾斜孔板式消波装置的试验研究

张洪雨，张鑫

哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001

多层变孔径倾斜孔板式消波装置的试验研究

张洪雨，张鑫

哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001

为了缩短波浪水槽内进行试验的“等水”时间，同时为实验室内波浪水槽中进行的相关实验研究提供更为接近实际的工作环境，提出了一种新型的变孔径倾斜孔板式消波装置，并对该装置的消波性能进行了系统的研究。通过物理模型试验，对该装置在不同波长、波高、水深条件下，孔板倾角、间距对反射、透射和消波系数的影响进行了较为系统的研究分析。另外，还对该装置在实际工作环境中的消波效果进行了探讨。研究结果表明:试验范围内，孔板倾角越小，消波性能越好;相对消波区域长度相近时，板间距适当减小有助于提高消波性能;该装置能极好地应用于实际消波工作。

变孔径倾斜孔板式消波装置;试验;反射;透射;消波系数;消波性能

网络出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20150727.1031.007.html

随着人们对于波浪方面的研究逐渐深入，波浪水槽成为研究波浪运动特性和机理的重要设备。然而，造波机产生的波浪传播到水槽尽头产生的反射波往往会对模型的实际工作环境产生影响，甚至导致实验无法正常进行。此外，在进行完一组实验后会浪费大量“等水”的宝贵时间，延长实验周期。因此，需要开发出能够安置在波浪水槽中的消波装置以消除波浪反射的不良影响。现在，对消波装置的开发已经被越来越多的水槽实验室所重视。对于不同的消波装置，其消波效果是不同的，而消波性能的好坏会直接影响到波浪水槽试验的精度。有必要研究开发新式的消波结构，达到更好的消波效果。

目前有关港工方面的消波结构的试验研究资料较为丰富，国内外在消波结构方面也取得了一定的进展。Ursell［1］首先研究了无限水深时直立挡板的透射系数，并给出了精确解; Sheng-WenTwu和Cheng-Chung Chieu［2］对单层和多层孔隙率不同的透空材料组成的防波堤的反射系数和透射系数进行了研究比较，发现结构宽度比较窄的时候，结构层数越多消浪效果越明显。Kyung-Duck Suh和Yeul Woo Kim［3］通过已知变量出发推导出可用于预测多种结构类型(包括透空墙)的反射系数和透射系数的经验公式;王国玉［4］对多层孔板组成的透空式防波堤结构进行了试验研究，比较分析了不同因素影响下防波堤透射系数以及反射系数的变化规律;汪宏［5］对开孔率不同的双层开孔直立式消波板的消波性能进行了研究，分析了透射系数随波陡、相对水深及板间距等因素的变化情况;那婧［6］对透空管式防波堤的消浪性能进行了研究，得出了该结构的反射系数及透射系数与堤顶宽度、斜率、波陡间的关系;杨甜丽［7］设计了由上下2部分组成的新型防波堤结构，下部的桩基起支撑作用，消波依靠上部开孔的半圆体结构实现，研究分析了开孔率、波陡、水深、相对板宽和浸水深度对反射系数、透射系数和消波系数的影响;周效国［8］研究了多层直立开孔挡板透空式防波提的消浪性能在板距布置方式及波要素影响下的变化规律;兰波［9］研究了波浪水池中几种消波装置的反射系数并总结了它们的消波效果。

虽然国内外的研究已经取得了很多的成果，但波浪与不同种类的透空式消波结构的相互作用情况复杂，需要进一步的研究。文中提出一种由多层变孔径倾斜式孔板组成的消波结构。通过改变波长、波高、水深和孔板倾角及间距5个因素来分析研究该消波装置的消波效果，为将来的消波结构分析研究提供依据。

1　物理模型及试验设计

1.1物理模型设计

变孔径倾斜孔板式消波装置总长约3 m，宽度78 cm(水槽宽度80 cm)，可倾斜孔板15层，起始孔板水平间距12 cm，多层孔板与水平面夹角大小可通过装置后端角度调节架间断性调节成30°、45°、60°、75°和90°等5个角度，采用可倾斜的多层孔板是从消耗波浪能量的角度出发，当行进的波浪进入消波装置，在水平方向上通过层层孔板，其动能逐渐消耗，同时，随着波浪在竖直方向上的起落，其势能也能得到相应的消耗。装置的多层孔板上的孔径是自波浪所来方向由大到小变化的，以3块为单位递减，大小依次为7、6、5、4、3 cm。前面采用孔径大的孔板是为了使波浪刚开始遇到消波装置时产生尽量小的反射，而使行进的波浪进入到装置内部。随后孔板的孔径逐渐变小，增大了消波力度，达到了使波浪逐层消除的目的。后面采用孔径小的孔板是为了增大阻尼，减少波浪透射，并且此处产生的反射波反方向行进时依然能够得到层层消除。该装置的多层孔板能够充分利用与波浪进行相互作用而起到较好的消波效果。装置及其孔板如图1。

图1　消波装置轴测图及孔板示意

1.2试验设备和方法

试验在哈尔滨工程大学力学基础实验室波浪水槽进行，水槽的长度33 m，宽0.8 m，最大水深1 m。造波机为推板式，可造规则波浪周期范围0.5～5 s，波高0.03～0.25 m。实验时消波装置安装于造波机前方18 m处，在距离消波装置前后两端各3 m处分别设置一组测量设备，每组测量设备包含2个浪高仪，从前之后分别编号为①～④。布置方式如图2。

图2　试验布置图

所有浪高仪通过DJ800型水工数据采集仪与电脑连接采集数据。试验选取5个水深，分别为45、50、55、60和65 cm，每组水深对应得将消波装置的多层孔板与水平面的夹角分别调整为30°、45°、60°、75°和90°进行试验。在各个水深各个倾角时，造波板所造规则波的波长与波高对应情况如表1。

表1　波长与波高试验组合表

当造波机所造波的波长发生变化时，需要调整每组测量设备的2个浪高仪的间距，试验时基本保持2个浪高仪的间距ΔL为所造波长的三分之一，以满足Goda［10］两点法计算反射系数的要求，对应的调整数据如表2所示。

表2　浪高仪间距调整表　m

对应每组工况，造波机工作时间取3 min，浪高采样间隔0.01 s。一组数据采集结束后，等到水槽中水面完全静止后再进行下一组试验，以防止水面残余波动对试验结果的影响。

孔板间距为12 cm试验结束后，将孔板间距变为6 cm，重复之前试验步骤一次，记录试验结果。

为了探究消波装置实际应用时的消波效果，撤去水槽末端的消波网，将本试验消波装置移到波浪水槽的末端，将消波装置的多层孔板倾角设定为30°状态，板间距为12 cm，消波装置前端3 m处设置一组浪高仪，编号为③、④，消波装置前端13 m处设置第2组浪高仪，编号为①、②，试验布置如图3所示。

图3　试验布置图2

试验选取固定水深60 cm，造波的波长和波高做适当调整，所造波浪依然为规则波。试验采集方式不变，记录试验数据。同样，每组工况至少重复3次，处理数据时取多次结果的平均值。

2　试验结果分析

试验主要探讨了多层变孔径倾斜孔板式消波装置位于水槽中后部时，在入射波的波长、波高及水深等外部因素变化的情况下，不同倾角和间距时的反射系数、透射系数和消波系数的变化规律，从而更好地优化消波装置的消波效果，并分析了消波装置位于水槽末端时，应用于实际工作环境下的消波效果。其中反射系数Kr为消波装置前部一次反射波波高与入射波波高的比值，透射系数Kt为消波装置后部透射波波高与入射波波高的比值，消波系数K=1－Kr－Kt。因试验组次较多，无法将所有试验结果和分析结论一一列出，所以下面选取具有代表性工况的试验结果作为主要依据进行分析。

2.1多层孔板倾角对消波效果的影响

在55 cm水深情况下，选取波长为1.49 m时不同波高的波浪与孔板倾角变化的消波装置相互作用后的反射系数、透射系数和消波系数作为分析对象，如图4所示。

图4　各个波高时的反射、透射和消波系数与倾角关系

从图4(a)中可以看出，不同波高波浪的反射系数在60°～90°时稳定在8%左右。装置的孔板倾角为30°和45°时，反射系数明显下降，其中30°倾角时，反射系数最小，在3%左右。图4(b)中的透射系数变化规律与反射系数相似，各个波高时均随倾角增大而增大，且在装置孔板倾角为30°时，数值最小;另外，波高越高对应的透射系数曲线在图4(b)中的位置越低，即数值越小。装置的消波效果从图4(c)的消波系数曲线中可以明显看到30°倾角时最佳，波高为6 cm时数值达到60%，波高为1 cm时也能达到30%以上，45°倾角时次之，其他3种倾角时消波效果较差，波高为6 cm时约为40%，波高为1 cm时只有不到20%，且各个波高时60°、75°和90°倾角下的消波系数数值差别不大，这说明:倾角小于60°后，该消波装置的消波性能得到明显增强。

水深不变，选取波高为4 cm时不同波长的波浪与孔板倾角变化的消波装置相互作用后的反射系数、透射系数和消波系数作为分析对象，如图5。

图5　各个波长时的反射、透射和消波系数与倾角关系

图5(a)中，0.6 m波长对应的反射系数随着孔板倾角的变化有所波动，最大值不超过12%; 2.09 m波长对应的反射系数基本稳定在3%左右;其他3种波长对应的反射系数随着倾角由30°增至60°而增大，随后数值基本稳定。图5(b)中各组波长波浪的透射系数都随着消波装置孔板倾角的增大而逐渐变大，且波长越短的波浪对应的透射系数越小，0.6 m波长时，波浪的透射系数在30°倾角时，只有10%左右。图5(c)中，消波系数曲线均随着倾角的变大而下降，波长为0.6 m时，消波系数较大，且曲线的下降趋势明显;同样，波长为1.49 m时的曲线下降趋势也较为明显;波长越长时，消波系数越小，且不同倾角时数值变化不大，这体现出:倾角减小，更好地加强了对波长较短入射波的波能消耗。

图6显示了波长为1.49 m，波高为4 cm的波浪，在45～65 cm之间5种不同水深时，与5个倾角状态下消波装置相互作用后的反射系数、透射系数和消波系数的变化曲线。

图6　各个水深时的反射、透射和消波系数与倾角关系

图6(a)中，水深为45 cm时，反射系数曲线随着倾角的增大先下降后上升;水深为65 cm时，曲线随着倾角的增大先下降后上升再下降;其他3个水深时，曲线随着倾角的增大先上升后下降。图6(b)中，基本所有的透射系数均随着倾斜角度的增大而增加，而且除了45°倾角，其他倾角时的透射系数曲线大多重合，透射系数数值相近。图6(c)中，倾角由30°增加到60°过程中，消波系数逐渐减小;倾角从60°增加到90°过程中，消波系数曲线比较稳定，数值变化不大。

综合对图4～6的分析，都能够看出多层孔板倾角为30°和45°时，消波装置的消波效果得到了明显的提升，尤其是30°时，试验范围内，消波效果达到最佳。这归因于倾斜30°放置的多层孔板不仅能够消除波浪在水平方向的动能，而且能极大地消除其在竖直方向的势能，从而达到更好的消波效果。

2.2孔板间距对消波效果的影响

将孔板间距为6和12 cm的试验结果进行比较如图7，其中间距为6 cm时，装置长度较短。

图7 2种间距的3种系数随波高变化比较

为了体现合理性，选取装置消波区域长度与波长比值(L/l)相近的工况进行后面的分析，其中L=14 Lo。从图7(a)中可以看出，间距变小后反射系数略有增大，但仍在7%以下。图7(b)中，间距为6 cm时透射系数要明显小于12 cm间距时，而且随着波高的增大，二者差值越来越大。图7(c)中，除了在波高较小为1 cm时，不同间距的消波效果基本相同，波高增大后，6 cm间距的消波系数要明显大于12 cm的。

通过图8比较分析孔板间距分别为6 cm和12 cm时，波高为4 cm情况下，消波装置的反射系数、透射系数和消波系数随角度改变的变化规律。

图8 2种间距的3种系数随倾角变化比较

在30°时，2种间距在图8(a)中的反射系数基本相同，但图8(b)中6 cm间距的透射系数明显更小。其他倾角时，间距为6 cm的消波装置反射系数偏大，透射系数偏小，从图8中2条曲线的变化规律可以看到，随着倾角度数的增大，不同间距时的反射系数和透射系数差值都有所减小。这中的差值的变化同样体现在图8(c)的消波系数曲线上。可以看到，倾角为30°时，6 cm间距的消波装置的消波效果要远好于12 cm间距的装置，消波系数高出20%左右。倾角在60°～90°的范围内，二者的消波系数差别不大，这一点与前一章对倾角因素的影响分析相符。

在本次试验范围内，消波装置多层孔板的两两间距变小后，虽然会增大反射系数，但能够有效地减小透射系数，从而使消波装置达到更好的消波效果，尤其在波浪波高较高，多层孔板倾角较小时效果更为明显。

2.3末端消波装置反射系数分析

为了研究文中开发的消波装置的消波能力，将消波装置移到水槽末端，水深为60 cm，观察不同波长和波高的波浪与多层孔板间距12 cm、倾角30°的消波装置相互作用后的反射系数变化情况，如图9。图9(a)中，不同波高情况下的反射系数曲线随着入射波波长的增加而先下降后上升，波高为1 cm的反射系数曲线位置整体偏高，反射系数曲线的最低点集中出现在波长为1.5 cm左右，最小值略小于5%。波高高于2 cm，波长长于0.76 m之后的反射系数基本不随波高的增大而变化，从图9(a)中曲线重合程度和图9(b)中曲线的平稳走势都能看出这一点。波高为1 cm时，反射系数较大，主要是由于波高较小时，消波装置后部孔板的圆孔孔径相对于这样的波高仍相对较大，并未能够使波浪在装置内部与孔板之间有很好的相互作用以消除波浪。所以，相对于不同大小的波高，如果想要达到比较好的消波效果，就要根据水槽波高的变化范围，选取适当的孔径大小和沿程分布规律。图9(b)中，波长为0.39 m时，反射系数随着波高的增加而先减小后增大，且变化剧烈。波长为0.39、2.27、2.99 m时，反射系数在不同波高时都超过了10%。此时的消波装置对波长为1.54 m的波浪具有很好的消波效果，在波高大于2 cm之后反射系数约为5%。

图9　水槽末端消波装置反射系数的变化

3　与其他防波消波结构的比较

3.1与透空管式防波堤消波效果比较

将本装置的部分试验结果与中国海洋大学研究生那婧的透空管式防波堤模型试验的部分结果进行比较。在2个试验中，其他影响因素均起到最佳消波效果时，选取入射波波高为6 cm情况下2种装置的试验结果，在共有的波陡范围内比较分析它们的反射系数、透射系数和消波系数变化情况。

从对图10的分析中可以得出:波陡范围在0.01～0.07之间时，倾斜孔板式消波装置的反射系数明显小于透空管式防波堤的反射系数; 2种装置的透射系数都随着波陡的增大而有明显的减小趋势，倾斜孔板式消波装置的透射系数相对较大一些;倾斜孔板式消波装置的消波系数随着波陡的增大而逐渐增大，透空管式防波堤的消波系数随着波陡的增大而先增大后减小，总体看来前者的消波系数更大，消波效果更好。

3.2与铁丝网阵、箱式和圆弧形消波装置进行比较

将变孔径倾斜孔板式消波装置至于水槽末端的反射系数与兰波试验研究中铁丝网阵、箱式和圆弧形消波装置的反射系数进行比较，如图11所示。4种消波装置都在波浪波长为1.5 m左右时的消波效果较佳，此处，铁丝网阵的反射系数在44%左右，箱式的反射系数也超过了10%，圆弧形的反射系数约为3%，变孔径倾斜孔板式的反射系数为5%。波长从1.5 m增大到3 m的过程中，4种消波装置的反射系数都有所增大，在波长大于2.3 m之后，箱式的反射系数开始略小于变孔径倾斜式，圆弧形的反射系数增加不大。由此可见，在波浪波长为1.5 m左右时，变孔径倾斜孔板式的消波效果比前两者要好得多，而比圆弧形的消波效果略差。但是，从圆弧形消波装置的原理可以分析得出，该装置消波效果对液面的高度将是敏感的，远没有变孔径倾斜孔板式消波装置对水深变化的适应能力强。

图11 4种消波装置反射系数比较

4　结论

通过对多层变孔径倾斜孔板式消波装置的试验研究，文中深入探讨了在应对不同水深和入射波的情形下，孔板的倾斜角度、板间距对该消波装置消波效果的影响，得出了不同情况下波浪与消波装置相互作用后的反射系数、透射系数和消波系数与各影响因素间的关系，总结规律如下:

1)本次试验范围内，入射波与变孔径倾斜孔板式消波装置相互作用后的反射系数总体数值较小，在10%以下随波高的增大而增大;随波长增大而先减小后增大，波长为2 m左右最小。透射系数随波高的增大而减小;随波长的增大而增大。消波系数与透射系数规律相反。说明该装置更好的适用于对大波高小波长波浪的消除。

2)变孔径倾斜孔板式消波装置的孔板倾角在30°～90°范围内，其消波效果随着倾角的变小而越来越好。倾角为30°时，增强了对入射波浪在竖直方向上势能的消除，起到了更好的消波效果。

3)消波装置的相对消波区域长度L/l相近时，多层孔板的两两间距适当减小能够起到更好的消波效果，但最优间距有待进一步探究。

4)板间距为12 cm的消波装置安置于水槽末端，对1.5 m左右波长入射波的消波效果极佳。

所得研究结果反映了该消波装置消波效果的主要影响因素和变化趋势。变孔径倾斜孔板式消波装置与其他透空式防波消波结构相比已经具有明显的消波优势，但有待对消波装置自身孔板的数目及孔板上孔径大小和排列方式做出改变后去进一步研究消波效果的变化规律，以改善现今的消波装置。同时，本试验研究所得结论是基于规则波的实验结果，对于该消波装置在不规则波作用下的消波效果需要进一步研究。

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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.网络出版日期: 2015-07-27.

张洪雨(1957-)，男，教授，博士;张鑫(1989-)，男，硕士.

张鑫，E-mail: 786660107@qq.com.