多层直立挡板透空式防波堤消浪效果数值研究

2020-11-17周效国曹凤龙李丁丁

江苏科技大学学报(自然科学版) 2020年5期

周效国,曹凤龙,李丁丁

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院, 镇江 212100)(2.江苏科技大学土木工程与建筑学院, 镇江 212100)

相比传统结构形式的防波堤,透空堤具有经济轻便、施工快捷、拆除方便、有效保护掩护水域内水体环境等优点[1]．现阶段对透空堤消浪性能的研究,主要借助物理模型试验,而物理模型试验需要花费大量人力、物力、财力,相比而言,数值模拟具有花费少、时间短、节约人力物力资源等优点,且便于优化设计,比物模试验更自由灵活,并且能对物模试验难以测量的量做出估计,同时,数值模拟还具有良好的重复性、条件易于控制、可以反复模拟等优点．随着CFD技术的日趋完善,采用数值方法模拟波浪和透空式防波堤相互作用已被越来越多运用到实际工程中[2-4]．文献[5]通过建立垂直透空堤的数值模型,分析了透空堤对斜向来浪的衰减作用,得到开孔率及相对宽度是影响该结构消浪性能的主要影响因素;文献[6]通过数值模拟的方法对开孔透空堤的消浪性能进行分析,证明开孔率、结构尺寸、相对波长等是影响其消浪性能的主要因素;文献[7]通过建立数值水平斜板透空式防波堤模型研究了防波堤对透浪系数的影响,结果表明:透射系数随防波堤水平板间距的增加而增加,随防波堤相对板宽的增加而减少,随着波陡和出水高度的增加,透射系数先增大后减小;文献[8]利用数值模拟方法,研究了在规则波作用下高桩挡板透空式防波堤的消浪效果,研究表明，增加挡板入水深度、堤顶相对宽度、相对水深是减小透射系数的有效方法;文献[9]对双侧挡板透空式防波堤的透浪性能进行了数值研究,发现挡板入水深度、相对板间距、入射波高、波周期是影响透浪系数的主要因素,且透浪系数随着入水深度和相对板间距的增大而减小,随着入射波高和波周期的增加而增加;文献[10]对弧板式透空堤的消浪特性进行数值研究,结果发现:板式透空堤的消浪系数随着入射波周期和相对波高的增加而增加,随着相对板宽的增加消浪系数呈减小趋势;文献[11]用数值模拟方法研究和分析了T型防波堤的消浪特性,在淹没状态下,结构相对板宽和波陡是影响透射系数的主要因素,在出水状态下,波陡对透射系数的影响更为显著;文献[12]用数值模拟方法对双层板式防波堤的消浪特性进行了研究,发现防波堤的消浪系数随着相对板宽和相对波高的增加而增加,随着水深的增加,消浪系数减小;文献[13-14]基于SPH法建立防波堤数值模型,研究了防波堤在不同工况下的透射系数和反射系数,结果表明,入射波高、波浪周期是影响防波堤消浪特性的主要因素．

波浪理论表明:波浪能量主要集中在水体上部,在水面以下3倍波高范围内集中了约98%的波浪能量;波浪水质点做椭圆形运动,运动轨迹随水深、波高、波浪周期的改变而改变．根据波能分布及波浪水质点运动规律,设计了一种由不同孔径、不同开孔率、不同底高程的多层直立挡板组成的透空式防波堤,利用不同尺度的开孔来逐层破坏波浪水质点的运动轨迹,从而达到消能的目的．

文中基于物理模型建立数值模型,物理模型与数值模型具有相同的尺寸,通过STARCCM模拟了波浪周期、波高、挡板间距等因素对消浪效果的影响,并与物理模型试验结果进行对比．

1 物理模型

物理模型的设计基于某港口的水文资料,水文要素如表1．

表1 水文要素Table 1 Hydrologic elements

物理模型试验是在长40 m、宽0.8 m、高1 m的水槽中进行，水槽一端装有造波机,可产生单向规则波．防波堤模型断面如图1,物理模型几何比尺为1 ∶30,防波堤模型高0.97 m(防波堤高29.1 m),宽0.6 m(防波堤宽18 m),迎水面长0.79 m(防波堤长23.7 m),模型中间滑道供Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ挡板滑动调整板间距．Ⅰ、Ⅲ挡浪板底高程为16 m(模型底高程0.53 m),Ⅱ、Ⅳ挡浪板底高程为11 m(模型底高程0.37 m),下端有4对叉桩支撑,叉桩倾斜度为3 ∶1[15]．

图1 防波堤模型断面Fig.1 Section of breakwater model

根据波浪水质点做椭圆形运动的特点,且波高、周期越大,波浪水质点的运动尺度越大,为使该透空防波堤具有较好的消浪效果,挡浪板开孔(椭圆形)孔径需小于较小波高与较小周期下水质点的运动尺度．在物理模型设计时,Ⅰ、Ⅲ挡浪板主要基于高水位波浪,因此基于设计高水位h=25 m、波高H=1.5 m、波周期T=7 s设计了挡浪板Ⅰ、Ⅲ的开孔情况;Ⅱ、Ⅳ挡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设计了挡浪板Ⅱ、Ⅳ的开孔情况．依据波浪理论,波浪水质点做椭圆形运动尺度为：

式中:A为水质点椭圆形运动轨迹的长轴尺度；B为水质点椭圆形运动轨迹的短轴尺度；z为挡浪板开孔位置；h为设计水位．

试验采用规则波,模型试验波要素条件如表2．

表2 试验波要素条件Table 2 Test wave element conditions

2 数值模拟

首先使用SOLIDWORKS建立防波堤数值模型,然后将防波堤数值模型导入STARCCM软件中,在STARCCM中建立数值波浪水槽,接着对防波堤数值模型及数值波浪水槽进行网格划分、边界条件及初始条件设置,最后由STARCCM软件完成消浪性能计算．

2.1 数值模型的建立

叉桩、滑道及上侧挡浪墙对消浪而言几无作用,因此在数值分析中,只保留了4块挡浪板,4块挡浪板板间距布置方案如表3,数值防波堤模型中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4块挡浪板布置如图2,其中挡浪板Ⅰ、Ⅲ的底高程为0.53 m,挡浪板Ⅱ、Ⅳ的底高程为0.37 m．挡浪板的开孔率从第Ⅰ块到第Ⅳ块依次为35.57%、29.47%、25.42%、19.18%,表4以第Ⅳ块挡浪板模型为例给出详细开孔参数．

表3 板间距布置方案Table 3 Layout scheme of plate spacing

图2 挡浪板模型Fig.2 Model of wave screen

表4 挡浪板Ⅳ的开孔参数(椭圆孔)Table 4 Hole parameters of wave plate Ⅳ(elliptical hole)

2.2 数值波浪水槽的建立

为与物模结构进行比对,建立的数值波浪水槽长40 m,宽0.8 m,高1 m,防波堤模型安置于距左边界12 m处,模型长60 cm,宽79 cm,高96.7 cm．在模型前后共设置3个监测点以记录波面的变化．1、2号监测点设置于模型前,至模型的距离依次为4、2 m,用以记录模型前的入射波高,3号监测点设置于模型后2 m处,用以记录透射波高．数值水槽示意如图3．

图3 数值水槽示意Fig.3 Schematic diagram of numerical sink

2.3 网格划分

数值模拟网格划分中,面网格选取表面重构,体网格组合选取切割体网格生成器和棱柱层网格生成器．其中网格基础尺寸为0.1 m,将挡浪板部分和波面部分进行网格加密处理,加密后的挡浪板部分网格尺寸为0.01 m,加密后波面部分中,波长方向网格尺寸为0.015 m，波高方向网格尺寸为0.005 m，宽度方向网格尺寸为0.02 m．

2.4 边界条件和初始条件

边界条件设定:采用边界条件造波的方法,水槽前后两个侧面定义为对称平面,水槽入口、底部、出口均定义为速度进口边界,其中出口部分设置VOF波阻尼进行消波,水槽顶部与大气相连,定义为压力出口边界．

初始条件设定:波浪选取一阶VOF波,重力基准值g=-9.81 g/m2,参考密度ρ=1.0 kg/m3,设置初始压力为一阶VOF静水压力场函数,初始速度为一阶VOF波速度场函数,体积分数初始条件为水与空气的复合函数．

3 结果分析

3.1 数值波浪水槽的验证

在模拟防波堤的消浪效果前,先在未加入防波堤的数值波浪水槽中造波,以检验造波条件是否符合模拟要求．各工况组次如表5,以第3组工况为例,监测点1、2号处波面的时间过程线如图4．

表5 工况组次Table 5 Group order of working conditions

图4 两监测点处的时间过程线Fig.4 Time process line at two monitoring points

通过图4两监测点的时间过程线可知,计算值与理论值吻合良好,误差控制在±5%以内,由此可知建立的波浪数值水槽可以满足模拟防波堤消浪效果的要求．

3.2 防波堤消浪效果计算

模拟防波堤的消浪效果同样使用表5所给出的工况,以方案3为例,监测1、2、3号监测点处的波面,3个监测点的波面时间过程线如图5,标量场景如图6．堤后波高由3号监测点测出,入射波高由2号监测点测出,防波堤的消浪效果用消浪系数K表示：K=1-Ht/Hi,Ht为堤后波高,Hi为入射波高波高．

图5 监测点的时间过程线Fig.5 Time process line of the monitoring point

图6 标量场景Fig.6 Scalar scenario

3.3 波高对消浪效果的影响

图7为5、7、10 cm 3种波高在不同水位条件,不同周期时数值模拟和物理模型试验的比对结果,结果表明:消浪系数随着波高的增大而增大,波高H=10 cm时消浪系数最好．

图7 波高对消浪效果的影响Fig.7 Effect of wave height on wave dissipation effect

3.4 周期对消浪效果的影响

图8为波浪周期分别为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时数值模拟和物理模型试验的比对结果,可以看出周期越大,消浪效果越好．

图8 周期对消浪效果的影响Fig.8 Influence of period on wave dissipation effect

3.5 挡浪板间距对消浪效果的影响

在低水位0.67 m,波高10 cm,周期1.2 s时,分析了5种板间距布置方案对消浪效果的影响．由图9可知方案5的消波效果最好,即前疏后密的挡浪板布置方案优于其他的板间距布置方案,这与物模的结果是一致的．

图9 挡浪板布置方案对消浪效果的影响Fig.9 Effect of wave baffle plate arrangementon wave elimination effect

通过数值模拟与模型试验结合的方法研究了波高、波浪周期、板间距布置方案等因素对透空式防波堤消浪效果的影响规律,从图7、8、9可以看出:① 数模中各要素对多层挡板透空式防波堤的消浪效果的影响规律与物模结果一致,其消浪系数在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;沿波浪传播方向防波堤宽度不变的情况下,挡板间距前疏后密的布置方案,其消浪效果优于其它板距布置方案．

从图7、8、9可以看出,数值模拟的消浪系数略大于物理模型试验的消浪系数，其原因主要是:① 数值模拟由于网格划分尺寸的影响,使数值模拟中挡板的开孔尺寸与物理试验中挡板的开孔尺寸存在差异,从而有可能导致数值模拟的消浪效果优于物理模型试验的结果．② 在物模过程中,Ⅱ、Ⅳ两块挡浪板没有伸至堤顶,试验中发现,有部分波浪越过挡浪板从而导致堤后波高增大．③ 在物模试验过程中,波浪作用于直立挡板时,挡板产生扰动,造成二次造波,是物模消浪效果不及数模结果的另一个重要原因．