螺旋桨洗流在实体式码头前沿砂质海床上的间歇冲刷试验研究

施 雨，李俊花，刘文白，韩定均

(上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306)

螺旋桨洗流在实体式码头前沿砂质海床上的间歇冲刷
试验研究

施 雨，李俊花，刘文白，韩定均

(上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306)

随着高功率发动机在船舶上的使用以及船舶机动性能的提高，螺旋桨洗流在实体式建筑物周围的冲刷正逐渐成为冲刷研究的重要内容之一。首先自行研发了一套一体化试验设备，之后利用该设备进行了螺旋桨洗流对实体式码头砂质海床的间歇性冲刷试验研究。通过对d50=0.7 mm的原型砂土海床的间歇冲刷试验发现：在同等试验条件下,与连续冲刷相比，间歇冲刷会加深冲刷坑的深度，加深范围介于1.3%～24.8%；间歇冲刷时单次冲刷时间长度越短，冲刷次数越多，冲刷深度加深的越明显；且随着螺旋桨到码头面距离的增大，间歇冲刷引起的冲刷深度的增加越明显。最后提出了最大间歇冲刷深度的定量预测方法，该方法可为实体式码头前沿砂质海床的间歇冲刷防护提供理论支撑。

螺旋桨洗流；间歇冲刷；冲刷深度；砂质海床

螺旋桨的转动加速周围水流的运动，从而产生转动射流，即洗流。当洗流遇到实体式建筑物的限制时，导致洗流流向的变化而冲击建筑物前面的海床，从而引发建筑物前面海床的冲刷，Hamill(1999)[1]将这类问题归结为螺旋桨的洗流冲刷。早期阶段的研究主要针对无结构物存在时螺旋桨洗流对砂质底床的冲刷(Romisch 1977[2]、Verhey et al. 1983[3]、Hamill 2004[4])。李勇[5]等人通过增加码头岸壁和基床底面2个边界条件，同时变化螺旋桨的转动速度，使射流场更接近实际情况。通过研究发现，影响螺旋桨洗流冲刷特征的因素主要包括密度弗汝德数、射流雷诺数、螺旋桨的直径以及螺旋桨底部距离海床面的高度。近期的研究主要针对结构物的存在对螺旋桨洗流冲刷的影响。Chin(1996)[6-7]使用平面射流代替螺旋桨洗流研究了结构物附近射流引发的冲刷，但他并未给出平衡冲刷深度的预测公式。Laurens (2002)[8]、Ayse (2005)[9]等研究了砂质海床上桩基础的存在对螺旋桨洗流冲刷的影响。谢智凯 (2004)[10]、陈民杰 (2006)[11]等分别研究了岸壁到螺旋桨的距离对冲刷的影响，试验结果很好的验证了Hamill (1999)[1]的观点。但相关研究都是针对砂质海床在螺旋桨洗流作用下的连续冲刷，未考虑冲刷的间歇性。在工程实际中考虑到船舶停泊或起锚的随机性，螺旋桨洗流对海床造成的冲刷不可能一次性连续完成，而是间歇的或不连续的逐渐达到累积的平衡冲刷状态。将螺旋桨工作的间歇性加以考虑可使研究更符合实际，也会增加人们对冲刷机理的完整性认识。

本文通过物理试验方法进行不同工况下螺旋桨洗流的冲刷试验，在物理试验的基础上再利用ORIGIN软件对冲刷情况进行模拟，研究间歇性冲刷与连续冲刷的异同及不同间歇冲刷时间对间歇冲刷最大冲刷深度的影响，找到两者最大冲刷深度的相对变化范围，进一步得出定量预测最大间歇冲刷深度的经验公式。

1 试验设备与方法

1.1试验设备

试验在上海海事大学海洋科学与工程学院的水力学实验室进行。实验装置为一小型水箱，如图1所示。水箱由试验系统、动力系统和测试系统3部分组成。

试验系统由水箱和排水管道组成，水箱的长、宽和高分别为2 m、1.2 m和1.2 m，水箱的壁面采用钢化玻璃制作，以便观察试验现象，水箱的前端壁面A拟定为重力式码头。

图1 试验仪器Fig.1 Test instrument

动力系统由移动支架和螺旋桨轴承固定系统组成。在水箱长轴方向的光杆轨道上，设置支架的目的一方面是用于搭载螺旋桨轴承固定系统，另一方面支架可带动螺旋桨沿水箱的长轴方向和竖直方向移动以便控制螺旋桨距离码头壁面的水平距离和距离海床面的高度。该系统由电机、轴承和变频器组成，变频器与电机相连，电机与轴承相连，轴承的前端固定有螺旋桨。分别为三相异步电机和变频器。电机输出功率为0.75 kw，最大转速可达到2 800 rpm。与电机相匹配的变频器可控制电机的转速。

测试系统由轨道以及轨道上搭载的量测设备组成。沿水箱的两个长边方向各安装一根长度为2.3 m的滚珠丝杆轨道，沿短边方向安装长度为1.4 m滚珠丝杆轨道。短边方向的轨道一方面用于搭载竖直方向的轨道和地形测量仪，另一方面可控制竖直方向的轨道以及地形测量仪沿短边方向移动。长边方向的轨道一方面用于搭载短边方向的轨道，另一方面可控制短边方向的轨道沿长边方向移动。控制轨道移动设备包括步进电机、驱动器和控制器，量测设备三维地形测量系统。三维地形测量系统用以获取海床地形图。

1.2螺旋桨特征参数选择

Rajaratnam(1981)提出，在螺旋桨洗流的冲刷试验中只要Rej>104，就可以忽略流体粘性的影响。Rej按(1)式计算

(1)

式中:V0为螺旋桨的出口流速；Dp为螺旋桨的直径；v为流体的运动粘度(水在15℃的运动粘度为1.141×10-6m2s )。Blaauw(1978)[12]等给出V0可以按(2)计算

(2)

式中：n为螺旋桨的转速，rps；Ct为螺旋桨的推力系数；Dp为螺旋桨的直径，m。

依据Qurrain(1994)[13]对英国港口的调查结果，对海床造成冲刷的典型螺旋桨的直径范围在1.5～3 m之间，转速大约为200 rpm。本实验采用Lam(2010)[14]在实验中采用的Dp=2.5 m、Ct=0.35以及n=200 rpm 的螺旋桨作为原型。利用式(2)计算出原型螺旋桨的出口流速为4.93 ms。

试验中重点对螺旋桨的动力相似进行研究，并得出冲刷规律，暂不考虑泥沙起动、沉降等相似条件。实体式码头的粗糙率相对于螺旋桨洗流对海床冲刷的影响较小，所以试验中采用玻璃板进行模拟，粗糙度对冲刷试验的影响忽略不计。

试验中拟采用的螺旋桨直径为150 mm。根据弗汝德数相似准则可得到模型螺旋桨出口流速的计算公式为

(3)

再结合式(2)可得到实验中采用的模型螺旋桨的转速。试验中采用螺旋桨的特征参数如表1所示。

表1 实验中拟采用的螺旋桨的特征参数Tab.1 Characteristic parameters of propeller to be used in experiment

表2 实验中拟采用的螺旋桨的雷诺数Tab.2 Reynolds number of propeller to be used in experiment

依据实验中采用的螺旋桨的转速得到相应的雷诺数见表2。

从表2可以看出，实验中采用的螺旋桨的雷诺数均超出104，因此流体粘性的影响可以忽略。试验中设定螺旋桨转速700 rpm，此时对应的螺旋桨的出口流速为1.04 ms。

1.3颗粒级配分析

依据《土工试验方法标准GB_T50123-1999》，对码头前沿海床土体进行土颗粒级配分析，通过筛分法得到小于某粒径土颗粒的百分比含量，从而得出土的级配曲线(如图2)，取出d10、d30、d60，测得不均匀系数Cu≥5且曲率系数1≤Cc≤3，根据《土的分类标准》(GBJ145-90)，试验所用土颗粒属于粗粒砂土且级配良好。该土的中值粒径为d50=0.7 mm。

图2 实验用土颗粒级配分析Fig.2 Analysis of soil size grading in experiment

2 连续冲刷试验

2.1试验工况

根据螺旋桨到码头面距离将试验工况分为3种，如表3所示。

2.2连续冲刷

定义：某一个螺旋桨在位于海床面某一高度、距离水箱壁面A某一位置处，在事先设定好的某一个转速下开始运转，运转的螺旋桨在水中产生洗流，洗流遇到壁面A时产生反射，反射的水流冲击壁面A前方的海床面从而引发冲刷，螺旋桨一直运转下去直到形成稳定的冲刷坑为止，这个冲刷过程称为连续冲刷。

表3 冲刷试验工况Tab.3 Scouring test conditions

连续冲刷的试验过程如下所述：

(1)在水箱底部铺设280 mm厚的土样。

(2)往水箱中注入850 mm高度的水。让土样在水压的作用下静置48 h。

(3)固定螺旋桨。将螺旋桨放置在桨叶底部边缘距离海床面高度C=150 mm、距离水箱A壁面的距离分别取500 mm、900 mm和1 200 mm。

(4)设定螺旋桨转速。通过设定变频器将螺旋桨转速设定为700 rpm，让螺旋桨运转，直到壁面A前面的冲刷坑稳定为止。

(5)通过WEET测试系统进行冲刷坑的数据采集。

依照上述步骤进行连续冲刷试验。观察到在开启螺旋桨的瞬间，紧邻码头面底部的砂土表面发生较为明显的淘刷现象，可清晰观察到大量的砂土颗粒沿螺旋桨轴向及切向发生迅速的位移，海床面逐渐形成明显的凹陷与凸起，随着时间的推移，冲刷速度逐渐减缓，最终形成稳定的冲刷坑。

2.3模型验证

为了验证本文物理模型的合理性，本小节首先采用Hamill G. A., Johnston H.T. and Stewart D.P.[1]给出的螺旋桨在直立式码头前沿引发砂土海床面冲刷深度的预测公式进行计算，之后与模型实测的最大冲刷深度进行比较。

将实验参数代入上述公式算出计算冲刷深度，将3种工况下的计算数据与实验测得实际冲刷深度进行比较，可得在表4可以看出，本实验3种工况下的计算数据与实验测得实际冲刷深度的偏差率为工况3下的10.1%到工况1下的23.5%。

表4 计算冲刷深度与实测冲刷深度比较Tab.4 Comparison between calculated scour depth and measured scour depth

3 间歇冲刷试验

3.1间歇冲刷

定义：当某一螺旋桨或多个螺旋桨在间歇运转的情况下，在水箱A壁面前面海床处形成冲刷的过程称为间歇冲刷。而将螺旋桨一次连续运转的时间称为间歇冲刷时间。间歇冲刷总时间指的是从冲刷开始到观察到海床面不再冲刷的时间长度，不是事先规定的时间。

间歇冲刷的试验过程基本与连续冲刷一致，但是步骤4先让螺旋桨运转一个间歇冲刷时间，然后停止，隔一段时间以后再次启动螺旋桨运转一个间歇冲刷时间，本试验采用的间歇冲刷时间分别为2 min和3 min，重复这个过程直至形成稳定的冲刷坑。

图1 螺旋桨平面布置图Fig.1 Propeller layout

3.2试验结果分析

图2、图3和图4分别给出了3种工况下连续冲刷与间歇冲刷时螺旋桨轴面最大冲刷深度的对比图。图中，实线表示的是连续冲刷时的平衡冲刷深度，虚线表示的是间歇冲刷时的平衡冲刷深度；横坐标表示离开码头面的距离，纵坐标表示冲刷过后水箱底部泥沙厚度。从这3幅图中可以看出：无论是连续冲刷还是间歇冲刷，最大的冲刷坑都在码头面处，即图1的B点处；同等试验条件下，间歇冲刷时引发的最大冲刷深度比连续冲刷引发的最大冲刷深度要深。

由表5得出：对应3种工况下，相比于连续冲刷，间歇冲刷都会在不同程度上加深冲刷的形成。最大冲刷量的加重百分比随着螺旋桨到码头距离按照1 200 mm、900 mm、500 mm的顺序依次为24.8%、10.7%、1.3%。可以明显看出，冲刷量的加重百分比在不同工况下的差异十分明显，且随着螺旋桨到码头面的距离减小，加重百分比依次减小。

图5给出了间歇冲刷时间为2 min及3 min时的最大冲刷深度的对比图。图中，实线表示的是间歇冲刷时间为2 min时的平衡冲刷深度，虚线表示的是间歇冲刷时间为3 min时的平衡冲刷深度；横坐标表示离开码头面的距离，纵坐标表示冲刷过后水箱底部泥沙厚度。从图中可以看出：间歇冲刷总时间相同的情况下，间歇冲刷时间越短，冲刷次数越多，冲刷坑的深度越深。

图2连续与间歇冲刷对比(1200mm)Fig.2Comparisonofcontinuousscouringandintermittentscouring(1200mm)图3连续与间歇冲刷对比(900mm)Fig.3Comparisonofcontinuousscouringandintermittentscouring(900mm)图4连续与间歇冲刷对比(500mm)Fig.4Comparisonofcontinuousscouringandintermittentscouring(500mm)图5间歇冲刷不同冲刷时间对比(500mm)Fig.5Comparisonofscouringtimeofintermittentscouring(500mm)

4 间歇冲刷深度预测方法

表5 不同工况下最大冲刷量对比图(mm)Tab.5 Comparison of the maximum scouring amount under different test conditions

本小节首先对各工况下间歇冲刷时不同位置坐标下的最大平衡冲刷深度以及螺旋桨到码头面的水平距离进行了无量纲化处理，然后对试验数据进行拟合，在此基础上获得间歇冲刷时最大平衡冲刷深度的预测方法。

图5 不同坐标下间歇与连续冲刷拟合曲线Fig.5 The intermittent and continuous scouring fitting curve under different coordinates

从图5中的试验数据点可以看出，Y的值随X的正方向依次呈现指数形式的单调递减状态,因此可以通过指数函数来拟合试验数据点。设定指数函数关系式后，通过试验数据反复拟合后得出间歇冲刷时最大平衡冲刷深度的预测公式为

(4)

5 结论

本文通过螺旋桨洗流在实体式码头前沿砂土海床上间歇冲刷试验得出以下结论：

(1)提出了一种螺旋桨洗流冲刷试验新方法，并通过模型验证保证其可靠性。

(2)最大的平衡冲刷深度位于螺旋桨轴线与码头面相交的位置处。

(3)与同等试验条件下的连续冲刷相比，间歇冲刷会加深冲刷坑的深度，且加深的范围介于1.3%～24.8%之间，随着螺旋桨到码头面距离的增大，间歇冲刷引起的冲刷深度的增加越明显。

(4)提出了预测螺旋桨间歇冲刷时最大冲刷深度的经验公式。该公式为无量纲公式，可推广应用到实际螺旋桨洗流的间歇冲刷情况中。

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Experimental study on intermittent propeller wash scour near solid wharf on the sandy seabed

SHIYu,LIJun-hua,LIUWen-bai,HANDing-jun

(CollegeofOceanScienceandEngineering,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai201306,China)

With the use of high power engine on the ship and the improvement of ship performance, the scour of propeller washing around the solid building is becoming one of the important parts of the washing research. Firstly, a set of integrated test equipment was developed in this paper. Then the study on the intermittent scouring of thed50=0.7 mm-sandy seabed near the solid quay was carried out by using the equipment. It is found that the ultimate scour depth in intermittent souring is deep in comparison with continuous scouring, and the deepening range is from 1.3% to 24.8% under the same experimental conditions. The scour depth is deeper when the length of a single scouring time is shorter and scour times are more. And the larger the distance from the propeller to the wharf surface is, the greater the increase of scour depth caused by intermittent scour is. Finally, a method for quantitative prediction of intermittent scour depth was proposed to provide the theoretical support for the protection against intermittent scour on the sandy seabed near the solid wharf.

propeller scour; intermittent scour; scouring depth; sandy seabed

2017-02-13；

2017-03-01

国家自然科学基金(51209133)

施雨(1992-)，女，上海市人，硕士研究生，主要从事港口、海岸及近海结构、岩土工程方面研究。

Biography：SHI Yu(1992-),female, master student.

TV 142；U 65

A

1005-8443(2017)05-0458-06