矩形箱柔性膜组合体透射性能的试验研究

王明玉 吴静萍* 关 超 湛 鹏 盘 俊

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (武汉船用机械有限责任公司2) 武汉 430084)

0 引 言

相对于固定大坝式防波堤，浮式防波堤受水深和海床条件的限制较小，造价低，具有不影响水质交换，不破坏海洋生物生活环境的优点[1-4].

浮式防波堤的消波性能受其结构形式的影响较大.矩形箱防波堤是具有代表性的浮式防波堤结构形式，结构简单、造价相对低廉，除消波外还可兼作道路、仓库、锚船或渔码头等.陈力[5]通过试验研究了固定方式下二维矩形箱浮式防波堤的消波特性，研究发现,相对宽度B/L是影响其消波效果的首要因素,且浸深越大，消波效果越好.

为了提高消波性能，在矩形箱基础上增加刚性附体的结构形式不断被提出.Neelamani等[6]通过在浮箱底部增加竖直板可以显著减小波透射或减小浮堤宽度.通过引入三或五个竖直板，可以将宽度减小20%～40%.王永学等[7]通过物理模型试验研究了规则波作用下垂直导桩锚固方箱-水平板式浮堤模型的消波性能，得出：方箱下加水平板使反射系数增加，使透射系数降低.

随着浮式防波堤不断研究和发展，提出了将柔性材料应用于浮式防波堤的特殊结构形式.由于柔性材料不仅可以扰乱水质点的运动轨迹，还可以将波能转化为自身的柔性运动并消耗波能，因此，得到许多专家学者的关注和研究.Hermanson[8]通过物理模型试验研究了浮体下悬挂竖直柔性膜的消波性能，研究发现柔性膜可提供12%～17%的优化.郑启航等[9-11]提出一种新型的框架带孔薄膜浮式防波堤单元体，通过物理试验研究表明该防波堤具有良好的消能效果.

为更好的提高浮式防波堤的消波性能，改善消波效果，在学习前人研究的基础上，提出了矩形箱与柔性膜组合体的浮式防波堤，通过系列物理模型试验来探究该组合体的透射性能.

1 物理模型试验设备及方案

1.1 试验设备

模型试验在武汉理工大学交通学院流体力学实验室的小型推板式波浪水槽中进行，水槽长18 m、宽0.6 m、深0.8 m，波浪水槽见图1a).水槽首端采用推板造波，水槽末端放置U形折角板及由方形浮板和柔性帆布组成的组合式浮体消波装置，用于分流和耗散波能，减少池壁反射.水槽末端的消波装置见图1b).

图1 试验设备和消波装置

测量波高所使用的浪高仪为YWH200-DXX数字浪高仪，量程为300 mm，误差在0.5%以内.试验时，两只浪高仪分别布置在模型前后各1.5 m处，记为P1和P2.浪高仪安装示意见图2.

图2 浪高仪安装位置示意图

1.2 试验方案

试验模型有矩形箱(模型一)、矩形箱与0.6 m单层柔性膜组合体(模型二)、矩形箱与1.2 m单层柔性膜组合体(模型三)及矩形箱与双层柔性膜组合体(模型四)，每个模型的矩形箱的尺寸相同.

1) 矩形箱为木质结构，长59.5 cm、宽24 cm、高36 cm；使用螺栓将钻孔的铁片与钢架结构连接，将矩形箱刚性固定在水槽钢架之上，通过螺栓和钢架上的滑道，以调节矩形箱的浸深.

2) 矩形箱与单层柔性膜组合体模型是通过矩形箱与PVC柔性膜组合，柔性膜的长度分别为0.6 m和1.2 m.

3) 矩形箱与双层柔性膜组合体的柔性膜长度同样为0.6 m和1.2 m，柔性膜组合为双层.

1.3 试验参数

试验波浪参数见表1.

表1 模型试验波浪参数表

1.4 透射系数的处理方法

透射系数是透射波高与入射波高之比，即

Kt=Ht/Hi

式中：Ht为透射波高；Hi为入射波高.

为了减小试验结果误差，对入射波高和透射波高的处理将采用三种不同的选取方式.方式一：根据浪高仪测量的入射波和透射波选取五个较均匀的入射波和透射波，它们的时间范围可以不对应；方式二：入射波和透射波均选取五个，时间范围对应；方式三：入射波和透射波均选取三个，时间范围对应.计算所选取的入射波和透射波的波高平均值，即为入射波高Hi和透射波高Ht，具体计算表达式为

式中：Hj为图框中单个波形的波高；N为选取的入射波个数.

式中：Hj为图框中单个波形的波高；N为选取的透射波个数.

图3～5为波长L=1.681 m、波高H=0.050 43 m和波陡H/L=0.03在P2位置处的入射波和透射波波形图.其中入射波形是在无模型的情况下测得，透射波形是在有模型的情况下测得.得到的结果将以误差带的形式给出.

图3 波高选取方式一

图4 波高选取方式二

图5 波高选取方式三

2 试验结果分析

2.1 矩形箱透射性能研究

2.1.1相对宽度B/L对透射系数Kt的影响

图6 两种浸深条件下模型一的透射系数Kt随B/L的变化

由图6可知，相对宽度对模型一的透射系数的影响比较明显，增大相对宽度可以减小透射系数，且波长越小，透射系数越小.当浸深为0.06 m时，相对宽度大于0.20时，透射系数可以降低至0.5以下；当浸深为0.12 m，相对宽度大于0.15时，透射系数可以降低至0.5以下.

2.1.2宽度吃水比B/d和相对浸深d/L对透射系数Kt的影响

矩形箱宽度B为0.24 m，宽度吃水比为B/d=2和4，在d=0.06 m和d=0.12 m不同浸深，波陡为H/L=0.03的条件下，探究宽度吃水比B/d和相对浸深d/L对模型一的透射系数Kt的影响.图7为两种宽度吃水比下模型一的透射系数Kt随相对浸深d/L的变化情况.

图7 两种宽度吃水比下模型一的透射系数Kt随d/L的变化

由图7可知，模型一的透射系数均随着相对浸深d/L值的增大而逐渐减小，波长越小，透射系数越小.在同一相对浸深的情况下，宽度吃水比大的透射系数明显减小.

2.1.3波陡H/L对透射系数Kt的影响

选取浸深分别为d=0.06 m和d=0.12 m，波陡为H/L=0.03和H/L=0.05，探究波陡H/L对模型一的透射系数Kt的影响.图8为两种浸深、两种波陡下透射系数Kt随B/L的变化.

图8 两种浸深、两种波陡下模型一的透射系数Kt随B/L的变化

由图8可知，在浸深d=0.06 m和d=0.12 m时，模型一的透射系数在两种波陡条件下的变化趋势基本相同，当d=0.06 m时两种波陡下透射系数大小相近，当d=0.12 m时两种波陡下透射系数大小也相近，说明在该试验条件下波陡对模型一的透射系数影响不大.

2.2 矩形箱与单层柔性膜组合体透射性能研究

2.2.1柔性膜长度对透射系数Kt的影响

积雪树连天，晓月山外山。少年们跳入淙淙流水的时刻，黄梁驿里其他客人，瓦匠大叔们、红紫秀才、胖捕快一家，龙精虎壮的黑驴已驮着他们走远，当最后一抹夜色由摇摆的驴尾上退去的时候，春窗曙灭九微火，九微片片飞花琐，他们已经能够看见驴头前面，启明星下，展开的江南未曾凋谢的绿树，未曾落雪的青山，荞麦青碧的平原。

选取波陡为H/L=0.03，分别在d=0.06 m和d=0.12 m不同浸深条件下，探究矩形箱悬挂的不同柔性膜长度0.6和1.2 m对透射系数的影响.图9为两种浸深条件下矩形箱悬挂不同柔性膜长度时透射系数Kt随B/L的变化情况.

图9 两种浸深下矩形箱悬挂不同柔性膜长度透射系数Kt随B/L的变化

由图9可知，在0.06和0.12 m浸深的条件下，悬挂1.2 m柔性膜相对于悬挂0.6 m柔性膜的组合体对于提高防波堤的消波效果并不明显.尤其在浸深为0.06 m，B/L在0.15～0.3范围内，增加柔性膜长度，透射系数反而变大.原因在于柔性膜长度的增加，柔性膜会随着波浪一起运动，甚至随着波浪一起造波，使得消波效果降低，从而使得堤后的透射波高变大.

2.2.2相对宽度B/L对透射系数Kt的影响

选取波陡H/L=0.03，浸深分别为d=0.06 m和d=0.12 m，柔性膜长度为1.2 m，探究相对宽度B/L对模型三的透射系数Kt的影响.图10为两种浸深条件下模型三的透射系数Kt随B/L的变化情况.

图10 两种浸深条件下模型三的透射系数Kt随B/L的变化

由图10可知，随着相对宽度的增大，模型三的透射系数逐渐下降，且波长越小，透射系数越小.当浸深为0.06 m时，相对宽度大于0.2时，透射系数可以降至0.3以下；当浸深为0.12 m，相对宽度大于0.15时，透射系数可以降至0.3以下.

2.2.3宽度吃水比B/d和相对浸深d/L对透射系数Kt的影响

选取波陡H/L=0.03 m，在d=0.06 m和d=0.12 m不同浸深，柔性膜长度为1.2 m条件下，探究宽度吃水比和相对浸深对模型三的透射系数的影响.图11为两种宽度吃水比下模型三的透射系数Kt随d/L的变化情况.

图11 两种宽度吃水比下模型三的透射系数Kt随d/L的变化

由图11可知，模型三的透射系数均随着相对浸深的增大而逐渐减小，波长越小，透射系数越小.在同一相对浸深的情况下，宽度吃水比大的透射系数小.

2.2.4波陡H/L对透射系数Kt的影响

选取浸深分别为d=0.06 m和d=0.12 m，波陡H/L=0.03和H/L=0.05，柔性膜长度为1.2 m，探究波陡对模型三的透射系数的影响.图12为两种浸深、两种波陡下模型三的透射系数Kt随B/L的变化.

图12 两种浸深、两种波陡下模型三的透射系数Kt随B/L的变化

由图12可知，在浸深d=0.06 m和d=0.12 m时，模型三的透射系数在两种波陡条件下的变化趋势基本相同.当d=0.06 m时两种波陡下透射系数大小相近，当d=0.12 m时两种波陡下透射系数大小也相近，说明在该试验条件下波陡对模型三的透射系数影响不大.

2.3 矩形箱与双层柔性膜组合体透射性能研究

2.3.1相对宽度B/L对透射系数Kt的影响

选取波陡H/L=0.03，分别在0.06 m和0.12 m不同浸深条件下，探究相对宽度对模型四的透射系数的影响.图13为两种浸深条件下模型四的透射系数Kt随B/L的变化情况.

图13 两种浸深条件下模型四的透射系数Kt随B/L的变化

由图13可知，随着相对宽度的增大，模型四的透射系数逐渐减小，且波长越小，透射系数越小.当相对宽度不变时，浸深越大，透射系数越小.

2.3.2宽度吃水比B/d和相对浸深d/L对透射系数Kt的影响

选取波陡为H/L=0.03，在0.06 m和0.12 m不同浸深条件下，探究宽度吃水比和相对浸深对模型四的透射系数的影响.图14为两种宽度吃水比下模型四的透射系数Kt随d/L的变化情况.

图14 两种宽度吃水比下模型四的透射系数Kt随d/L的变化

由图14可知，模型四的透射系数均随着相对浸深的增大而逐渐减小，波长越小，透射系数越小.在同一相对浸深情况下，宽度吃水比大的透射系数明显减小.

2.3.3波陡H/L对透射系数Kt的影响

选取浸深分别为d=0.06 m和d=0.12 m，波陡H/L=0.03和H/L=0.05，探究波陡对模型四的透射系数的影响.图15为两种浸深、两种波陡下模型四的透射系数Kt随B/L的变化.

图15 两种浸深、两种波陡下模型四的透射系数Kt随B/L的变化

由图15可知，模型四在浸深为0.06 m时，波陡大的透射系数较大，波陡的变化会影响该模型在0.06 m浸深时的透射系数 ；在0.12 m浸深时，当B/L小于0.2时，波陡大的透射系数较大，当B/L大于0.2时，波陡对透射系数的影响不明显.

2.4 不同模型透射系数比较

为了进一步比较上述四个消波模型的透射性能，本节将对这四个模型的透射系数作出比较.选取波陡为0.03，在0.06和0.12 m不同浸深条件下，探究模型一、模型二、模型三、模型四4个模型的透射系数Kt随B/L的变化情况，见图16.

图16 两种浸深0.03波陡下不同模型透射系数Kt随B/L的变化

由图16可知，模型二、模型三和模型四与模型一相比较，模型二、模型三和模型四可以很明显的提高消波效果，减小透射系数；模型二和模型三使透射系数的减小幅度明显；模型四相对于模型二和模型三可以使透射系数继续减小，但继续减小的幅度并不明显.当浸深在0.06 m时，柔性膜对消波效果的影响明显，其中，模型四的消波效果要比模型二、模型三的消波效果好.当浸深在0.12 m时，柔性膜组合体同样能够提高消波效果，但柔性膜长度以及柔性膜层数对于消波效果的影响不大，尤其是在较小波长范围内.

3 结 论

1) 随着矩形箱宽度的增加，透射系数减小.

2) 矩形箱悬挂柔性膜可以提高消波性能，减小透射系数.悬挂两层柔性膜虽然相对于单层膜组合体可以使透射系数继续减小，但是继续减小的效果不明显.

3) 增加柔性膜长度对于提高防波堤的消波效果不明显.在一定波长范围内，柔性膜长的透射系数反而变大.

4) 相对浸深增加，透射系数减小；同一相对浸深，宽度吃水比大的透射系数较小.

5) 波陡对矩形箱的透射系数影响较小；波陡对矩形箱与0.6 m单层柔性膜组合体的透射系数影响明显，波陡大时透射系数较大；矩形箱与双层柔性膜组合体在0.06 m浸深时，波陡大的透射系数较大，在0.12 m浸深时，波陡对透射系数的影响不明显.