实验水池弧形消波装置孔隙率优化试验研究

彭 程，张华庆，张慈珩，赵 鹏

(交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

在海洋工程领域，实验水池的核心技术之一是波浪模拟技术，波浪模拟的性能和精度是保证实验水池整体能力与水平的关键问题。对于波浪模拟，反射波是干扰其精确模拟的主要影响因素之一；消波装置的作用在于最大程度消除实验水池中反射波的影响，因此消波装置消浪效果的好坏直接影响了水池试验数据的准确性[1]。国内外主要海工实验水池消波装置大部分采用透空式消波结构，此类结构的设计原理主要应用波能主要集中在水体上层这一波浪理论[2]。国内外各研究学者关于透空式消波结构的研究手段主要包括理论分析，数值模拟和物理模型试验。在理论分析方面，Madsen[3]运用线性波理论对波浪穿过直立式透空结构的反射和透射系数的试验值进行了良好的验证；Kyund等[4]采用特征函数展开法研究明基床上开孔沉箱对波浪的反射作用；Issacson[5]等应用线性波理论建立数学模型对波浪与气室内填充碎石的开孔透空结构的相互作用进行了模拟；Karim等[6]基于不可压缩粘性流体运动理论,对波浪通过垂直孔隙结构的传播变形问题进行了数值模拟,得到结构的宽度和孔隙率是结构反射的主要影响因素；兰波等[7]采用五种不同理论计算方法，对四种不同型式消波结构的消波效果进行了试验比较研究。在数值模拟方面，李世森等[8]基于FLOW3D有限差分求解程序建立数值波浪水槽模型，分析孔隙率和消波装置长度对消波性能的影响；耿宝磊等[9]基于势流理论模拟直墙前透空薄板的组合参数G对波浪的反射系数、透射系数的影响进行了计算分析；任喜峰等[10]基于sph方法模拟规则波与开孔结构的相互作用，分析了结构反射系数的影响因素；吴瑶瑶[11]利用N-S方程构建了波浪与板式透空堤相互作用的数值模型，研究相对潜深、相对波高、相对板宽和结构型式对透射系数的影响。在物理模型试验方面，Jarlan[12]对一种迎浪面挡板开孔，中间为消能气室，背侧挡板不可渗的防浪结构的消浪效果进行了研究；戴冠英等[13]给出规则波与不规则波作用下研究开孔直立墙与开孔直立墙后带有一道实体直立墙的结构反射试验结果；严以新等[14]研究一种多层挡板透空式防浪结构的消浪特性，通过试验分析出消浪效果的主要影响因素是挡板的透空率及设置方式；陈旭达等[15]讨论了相对板间距、相对潜深对双层水平板型防浪结构的消波能力的影响；Huang等[16]比较分析了波浪在有实体后墙和无实体后墙的开孔透空结构的传播和反射特性；LI等[17]探究了不同开孔形状和开孔率的开孔板的透射和反射系数的变化规律；张洪雨等[18]通过物模试验研究一种变孔径倾斜孔板式消波装置的孔板倾角和间距在不同波浪条件下对反射和透射系数的影响；胡伟等[19]通过试验研究了波高、周期和水深的变化对三种不同消波装置消波能力的影响。

上述研究主要针对竖向孔隙薄板、带孔水平刚性板以及水平板与竖直板相结合等结构形式。相关研究成果表明：竖向孔隙结构使水质点产生垂向紊动而消耗一部分波能，影响深水波浪的传播前进；水平孔隙结构能破坏水质点的竖向运动轨迹，使波浪发生浅水效应，波浪通过孔隙结构时发生破碎，达到衰减波能的作用[20-22]。本文研究背景为拟建深水实验池消波系统的工艺论证工作，消波系统主要由弧形消波装置和结构后方的落水槽和循环水泵组成；弧形消波装置结构主体为带孔隙的圆弧形斜坡，兼具了竖向孔隙结构和水平孔隙结构的消波特性，能同时破坏水质点的横向和竖向运动轨迹，达到较好的消波效果；本文通过物理模型试验研究弧形消波结构的消波特性，用反射系数评估消波装置的消浪效果，重点探讨消波结构本身孔隙率的变化和孔隙率组合方式对消浪效果的影响，可为实验水池消波系统的设计选型和优化方式提供一定的参考。

1 试验概述

1.1 试验设备和模型布置

试验在交通运输部天津水运工程科学研究院波浪水槽中进行，水槽长68 m，宽1.0 m，高1.5 m。水槽一端安装有电机伺服驱动推板吸收式造波机，可以产生规则波与不规则波。水槽两端均设有消波装置，同时水槽底部设有连通管，以使试验过程中模型两侧的水位保持不变。波高采用浪高仪测量，并应用Goda两点法[23]对波浪进行入反射分离，以计算消波结构的反射系数。

图1 模型实景照片弧形消波结构图及模型实体照片(单位：尺寸mm)Fig.1 Sketch and model photo of wave absorbing structure

图2 模型示意及传感器布置图(单位：尺寸mm)Fig.2 Model diagram and sensor layout

本次试验按照正态重力相似准则设计模型，模型几何比尺λ=5。选取弧形消波结构放置在水槽中，该结构由弧形孔隙板和承重墩台组成，主体结构长度为2.5 m，高度为0.9 m，弧形孔隙板和主体结构与实验水槽同宽，为1.0 m，见图1；弧形孔隙板曲率半径为3.8 m，厚度为12 mm，表面孔隙率分别为20%，30%，40%和50%。试验中沿水槽中心线布置2个浪高仪，距离模型前端分别为1.7 m和2.0 m，满足本次试验条件下应用Goda两点法的使用要求。模型示意及传感器布置见图2。

1.2 试验条件

试验水位d为0.5 m，入射波浪采用规则波，其中波高H变化范围为0.03～0.12 m，周期T变化范围为1.2～2.4 s。不同试验工况组合见表1。

表1 试验波浪参数表Tab.1 Wave parameter in the experiment

1.3 试验方法

依据《波浪模型试验规程》(JTJ/T234-2001)，在布置弧形消波模型之前对上述每组波浪进行率定，率定点位于模型结构中间位置。试验中忽略从造波机造出的前4～5个不稳定波浪后再进行采集，每组试验采集20个完整规则波波列进行分析，另外为避免出现不稳定结果，每组试验重复3次。数据分析中，利用Goda两点法处理试验数据，计算弧形消波结构的反射系数KR。

2 试验结果与分析

2.1 单层孔隙板不同孔隙率对反射系数的影响

图3 单层孔隙板不同孔隙率对反射系数的影响Fig.3 Results of different porosity on reflection coefficient of single layer pore plate

试验选取单层板弧形消波结构的孔隙率分别为20%、30%、40%和50%，开孔型式为条形，不同孔隙率对应的表面孔隙间距见表2。不同孔隙率对反射系数的影响结果见表2，为方便读者查看，用图3表示试验结果。试验结果表明，当入射波浪要素不变时，随着孔隙率由50%降低到30%，波浪在弧形板表面爬高增大，波能耗散，穿过弧形板表面孔隙进入消波结构内部的波浪减少，因此经模型后方直立墙返回的波浪也减小，最终表现为消波结构的反射系数减小。当孔隙率达到最小为20%时，反射系数反而增大，这是由于弧形板的开孔间距过小，大部分波浪不能穿过弧形板表面进入消波结构内部而被弧形板直接返回，无法有效消耗波浪能量，加大了波浪的反射。因此，当弧形板表面孔隙率为30%时，单层板弧形消波结构的反射系数最小；其中，第四组试验 (H=0.12 m,T=1.2 s)时的反射系数达到最小值，为0.13。

表2 孔隙板不同孔隙率对应的孔隙间距Tab.2 The pore spacing corresponding to different porosity

表3 单层孔隙板不同孔隙率的反射系数结果Tab.3 Results of different porosity on reflection of single layer pore plate

2.2 模型优化设计及布置

上述试验现象表明，波浪与弧形消波结构作用后的反射波主要分为两部分：一部分是波浪在结构上爬高时被弧形板反射的波浪；另一部分是穿过弧形板表面进入消波结构内部后被直墙反射回的波浪。二者叠加后的反射波是影响消波结构反射系数的主要因素，前者可通过适当降低弧形板表面的孔隙率使进入消波结构内部及经弧形板反射的波浪减小，对此，前文根据试验结果已经得到了该消波结构最优的孔隙率；后者可通过优化消波滩内部结构来使经过后方直墙反射回的波高减小。

根据上述试验结果，最优孔隙率时的单层板弧形消波结构的反射仍较大，不同波浪条件下反射系数在0.13～0.44之间。参考相关研究成果，对于降低竖向孔隙薄板、带孔水平刚性板前反射系数的优化方法常为变单层板为双层板结构[24]。因此，在上层弧形孔隙板下方增加一段单层弧形孔隙板，形成双层复合消波结构，上下两层孔隙板间距为0.06 m，见图4；垂直方向高度考虑波峰时刻波浪冲击消波结构表面向上爬高和波谷时刻波谷回吸的主要影响范围[25]，选取试验水深的水面线上下一倍最大试验波高高度，即下层孔隙板垂直方向高度为0.24 m。在优化试验中，上层孔隙板孔隙率选取前文试验得到的最优孔隙率30%，下层孔隙板孔隙率选取20%、30%和40%，研究该结构消波性能最佳的双层孔隙板孔隙率组合以及不同波浪条件对消波结构反射系数的影响。

图4 双层复合弧形消波结构及模型实体照片(单位：尺寸mm)Fig.4 Sketch and model photo of double-layer wave absorbing structure

2.3 双层孔隙板不同孔隙率组合对反射系数的影响

双层复合消波结构在试验中波峰时刻和波谷时刻的试验现象见图5和图6。波峰时刻，下层孔隙板对经直墙反射回的波浪有明显的阻碍作用，减少部分反射波的影响；波谷时刻，波浪穿过下层孔隙板的过程中耗散了部分能量。双层孔隙板之间的空隙形成类似半密闭消浪室，使每一个波在行进和返回过程中，通过消波结构的次数由单层孔隙板时的2次增加为4次，最大程度地减少了穿过双层孔隙板进入消波结构内部的以及浪和经直墙二次反射的波浪。

图5 波峰时刻双层复合消波结构试验现象Fig.5Phenomenonofdouble-layerwaveabsoringstructureatwavecresttime图6 波谷时刻双层复合消波结构试验现象Fig.6Phenomenonofdouble-layerwaveabsoringstructureatwavetroughtime

图7 双层孔隙板不同孔隙率对反射系数的影响Fig.7 Results of different porosity on reflection coefficient of double-layer pore plate

双层孔隙板不同孔隙率组合对反射系数的影响结果见表4，为方便读者查看，用图7表示试验结果。与前文单层孔隙板的试验结果相比，双层孔隙板时的反射系数均有所减小；当入射波浪要素不变时，反射系数随着下层孔隙板孔隙率由40%降至20%。增加的下层孔隙板显著降低了波浪经直墙的二次反射，使反射系数降低。因此，当双层复合消波结构上层孔隙板孔隙率为30%，下层孔隙板孔隙率为20%时，反射系数最小；此时，与单层孔隙板最优孔隙率30%时相比，不同试验条件下结构反射系数降低幅度在27%～69%之间，平均降低幅度约为41%。其中，第四组试验 (H=0.12 m，T=1.2 s)时的反射系数达到最小值，为0.05。

表4 双层孔隙板不同孔隙率的反射系数结果Tab.4 Results of different porosity on reflection of double-layer pore plate

2.4 波高的影响

不同波高对单层板和双层板的反射系数影响结果如图8和图9所示。随着入射波高由0.03 m增大至0.12 m，波浪沿弧形孔隙板向上爬高增大，爬高过程中波能沿程损失增加，且穿过孔隙板进入结构内部时水面以上的水体跌落耗散的能量增加，因此单层板和双层板的结构的反射系数均有所减小。以T=1.2 s时为例，波高H=0.03 m、0.06 m、0.09 m和0.12 m时，单层孔隙板的反射系数分别为0.36、0.18、0.16和0.13，双层孔隙板的反射系数分别为0.11、0.08、0.07和0.05。

图8 不同入射波高对单层孔隙板反射系数的影响Fig.8Resultsofdifferentwaveheightonreflectioncoefficientofsinglelayerporeplate图9 不同入射波高对双层孔隙板反射系数的影响Fig.9Resultsofdifferentwaveheightonreflectioncoefficientofdouble-layerporeplate

图10 不同入射周期对单层孔隙板反射系数的影响Fig.10Resultsofdifferentwaveperiodonreflectioncoefficientofsinglelayerporeplate图11 不同入射周期对双层孔隙板反射系数的影响Fig.11Resultsofdifferentwaveperiodonreflectioncoefficientofdouble-layerporeplate

2.5 周期的影响

不同周期对反射系数的影响结果如图10和图11所示。随着波周期从1.2 s增加至2.4 s，单层孔隙板和双层孔隙板的结构前反射系数均有所增大。对于最小试验波高H=0.03 m，T=1.2 s、T=1.6 s、T=2.0 s和T=2.4 s时，单层孔隙板的反射系数分别为0.36、0.40、0.41和0.44，双层板的反射系数分别为0.11、0.25、0.29和0.30；对于最大试验波高H=0.12 m，T=1.2 s、T=1.6 s和T=2.0 s时，单层孔隙板的反射系数分别为0.13、0.25、0.27和0.31，双层孔隙板的反射系数分别为0.05、0.13、0.19和0.20。

3 结论

(1)单层孔隙板孔隙率取20%、30%、40%和50%，开孔型式为横向条形的试验条件下，弧形板表面孔隙率为30%时消波结构的反射系数最小；在H=0.12 m,T=1.2 s时，反射系数达到最小值，为0.14。

(2)上层孔隙板孔隙率30%，下层孔隙板孔隙率20%、30%和40%试验条件下，双层孔隙板消浪效果明显优于单层孔隙板，反射系数平均降低幅度约为41%；且上层孔隙板孔隙率为30%，下层孔隙板孔隙率为20%时，消波结构的反射系数最小；在H=0.12 m，T=1.2 s时，反射系数达到最小值，为0.06。

(3)弧形消波结构在规则波作用下，当其他条件不变时，结构的反射系数随波高增大而减小，随周期增大而增加。

(4)弧形消波结构的消波机理为同时破坏水质点的横向和竖向运动轨迹。因此，弧形消波装置的表面形状变化即不同弧度的弧形消波装置的消浪效果也应有所不同，可进行进一步的试验研究。本文试验结果和结论均是在一种弧度的弧形消波结构下进行。

(5)本文主要研究弧形孔隙板开孔率对其反射系数的影响，因此仅模拟消波结构本身和实验水池岸壁，并未考虑消波结构后的落水槽及循环水泵；通过优化试验得到了消波结构的最优孔隙率组合，试验结果不代表整体消波系统的消浪性能。