陳蘭坤，潘新穎

(中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

防波堤作為港工建筑物的重要組成部分，可以有效阻擋進(jìn)港波浪與泥沙，使港內(nèi)水域保持平穩(wěn)，以便裝卸作業(yè)，然而傳統(tǒng)非透水防波堤不僅限制了港內(nèi)外水體的交換，使泥沙淤積、水體污染，還會(huì)改變海域水動(dòng)力環(huán)境，使海岸線發(fā)生變遷。因此，設(shè)計(jì)一種增強(qiáng)水體交換能力、保護(hù)海域水動(dòng)力環(huán)境的透空式防波堤成為當(dāng)下的研究方向。

透空堤在港口水工建筑物中較為常見，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)數(shù)值分析方法做了大量工作，研究表明：適當(dāng)開孔的消浪板能顯著抑制反射回外海的反射波浪高度，且樁式防波堤結(jié)構(gòu)能有效降低堤后透射波浪高度，將開孔消浪板與樁式防波堤結(jié)構(gòu)有效結(jié)合可以達(dá)到同時(shí)抑制反射波與透射波的效果。此外，波浪周期、消波板開孔率、傾斜程度對(duì)透空堤消浪性能影響較大[1-6]。同時(shí)，部分學(xué)者應(yīng)用FLOW-3D軟件建立數(shù)值水槽，水槽尾端布置簡(jiǎn)單且較易實(shí)現(xiàn)的斜坡式孔隙結(jié)構(gòu)可以有效減少數(shù)值水槽后端波浪反射，應(yīng)用FLOW-3D模擬數(shù)值水槽效果很好[7-8]。

因此，本文采用FLOW-3D軟件對(duì)新型附帶消浪板樁基透空堤進(jìn)行數(shù)值模擬研究。該新型樁基透空堤在下部樁基迎浪側(cè)布置開孔消浪板，可同時(shí)滿足防波堤擋浪擋沙和實(shí)現(xiàn)港內(nèi)外水體交換的要求。根據(jù)該新型樁基透空堤物模試驗(yàn)防波堤模型建立FLOW-3D數(shù)值模型，通過(guò)與物模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值水槽造波穩(wěn)定性與持續(xù)性，進(jìn)而研究該新型透空堤消浪板的開孔率、相對(duì)入水深度以及傾斜角度對(duì)該透空堤消浪性能影響，為此種透空堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模型建立

FLOW-3D是通用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件，它采用專門的數(shù)值技術(shù)來(lái)求解流體運(yùn)動(dòng)方程，以獲得瞬態(tài)三維數(shù)值解，可減少物理試驗(yàn)中模型制作時(shí)間與成本。本文主要模擬波浪與新型樁基透空堤結(jié)構(gòu)的相互作用，對(duì)自由液面有著較高要求，因此選擇FLOW-3D作為研究軟件。

1.1 模型控制方程

FLOW-3D將連續(xù)性方程和不可壓縮黏性流體運(yùn)動(dòng)的Navier-Stokes方程作為流體運(yùn)動(dòng)控制方程。本文中假設(shè)流體為牛頓流體，由于FLOW-3D獨(dú)特的FAVOR網(wǎng)格技術(shù)，其連續(xù)性方程和動(dòng)量方程中含有體積和面積分?jǐn)?shù)參數(shù)，表達(dá)式如下：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為流體密度；VF為可流動(dòng)體積分?jǐn)?shù)；Ax、Ay、Az為x、y、z方向可流動(dòng)面積分?jǐn)?shù)；u、v、w為x、y、z方向速度分量；Gx、Gy、Gz為x、y、z方向重力加速度；τij為液體剪應(yīng)力，i為作用面，j為作用方向。τij表達(dá)式如下：

(5)

(6)

式中：μ為動(dòng)力黏滯系數(shù)。

1.2 數(shù)值模型建立

1.2.1數(shù)值水槽布置

本文根據(jù)新型樁基透空堤物模試驗(yàn)，建立長(zhǎng)35 m(y方向)、寬0.3 m(x方向)、高0.8 m(z方向)的數(shù)值造波水槽，水槽尾端放置5 m長(zhǎng)消浪坡，測(cè)點(diǎn)選取在水槽14 m的位置，見圖1。

圖1 數(shù)值水槽布置

1.2.2模型網(wǎng)格劃分

FLOW-3D軟件數(shù)值模擬計(jì)算效果取決于網(wǎng)格數(shù)量，網(wǎng)格越密效果越好，但同時(shí)需考慮計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力。本文中數(shù)值水槽網(wǎng)格劃分范圍為x方向0～0.3 m、y方向0～35 m、z方向0～0.8 m，應(yīng)用矩形網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格尺寸劃分方法為：z方向重點(diǎn)在自由水面附近0.55～0.80 m范圍內(nèi)進(jìn)行局部網(wǎng)格加密；y方向重點(diǎn)在開孔消浪板前后進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，保證開孔處有足夠的網(wǎng)格量；其他位置處為均勻網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.15 m，總數(shù)約為224萬(wàn)個(gè)。

1.2.3邊界條件設(shè)置

本文所建立的數(shù)值波浪水槽模型中，x軸為水槽寬度方向，均為對(duì)稱邊界；y軸為長(zhǎng)度方向，最小邊界為造波邊界，最大邊界為固壁邊界；z軸為高度方向，均為固壁邊界。

1.2.4初始條件設(shè)置

在計(jì)算初始時(shí)刻，數(shù)值造波水槽為靜水面，初始速度為0，沿z軸方向靜水壓強(qiáng)設(shè)置為流體初始?jí)簭?qiáng)，水深設(shè)置為0.65 m。

1.3 防波堤模型建立

本文新型附帶消浪板樁基透空堤模型整體長(zhǎng)1.1 m、寬0.3 m、高1.5 m，見圖2。該模型采用4排斜方樁，直徑0.1 m，第1排斜樁設(shè)置開孔消浪板，上部結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)型垂直擋浪墻，下部消浪板寬0.3 m、長(zhǎng)0.72 m，可改變其開孔率、相對(duì)入水深度和傾斜角度，見圖3。

圖2 樁基透空堤

圖3 消浪板變化

1.4 數(shù)值計(jì)算工況

在已有的透空堤研究中[9]，改變消浪板的開孔率、相對(duì)入水深度以及傾斜角度對(duì)透空堤消浪性能產(chǎn)生一定影響，因此本文從消浪板的這3個(gè)角度進(jìn)行深入研究分析。

消浪板的開孔率、相對(duì)入水深度及傾斜角度等具體工況為：開孔率10%、20%、30%，相對(duì)入水深度0.38、0.62、0.85，傾斜角15°、0°、-15°。

2 數(shù)值模型驗(yàn)證

采用物模試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值模型準(zhǔn)確度與可靠性。驗(yàn)證分為兩個(gè)部分：1)數(shù)值造波水槽造波穩(wěn)定性與持續(xù)性；2)將防波堤模型放入數(shù)值水槽后，設(shè)置水深條件、造波波高、周期及模型位置同物模試驗(yàn)，布置相同測(cè)點(diǎn)，以模型前后波高作為數(shù)值模型消波可靠性驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 物模試驗(yàn)

物模試驗(yàn)是在山東交通學(xué)院港航水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室波流水槽中進(jìn)行的新型附帶消浪板樁基透空堤物理模型試驗(yàn)，該試驗(yàn)水槽長(zhǎng)50 m、寬1.2 m、深1.4 m，水槽尾部采用卵石消波，模型放置于水槽中部，見圖4。

圖4 物理模型

模型結(jié)構(gòu)迎浪側(cè)斷面所在位置與數(shù)值水槽造波板距離為14 m，設(shè)定水深為d=0.65 m，水位位于下部消浪板處，分別采用了2個(gè)不同周期T的規(guī)則波(1.5、2.0 s)，波高H=0.10 m。

2.2 數(shù)值水槽的造波驗(yàn)證

圖5為對(duì)應(yīng)波浪條件下試驗(yàn)水槽與數(shù)值水槽的波形對(duì)比?？梢钥闯?，數(shù)值造波水槽模擬的規(guī)則波與試驗(yàn)水槽實(shí)測(cè)波形吻合良好，其峰谷高度對(duì)應(yīng)一致，波高穩(wěn)定，波面過(guò)程線并未隨著造波時(shí)間增加而衰減，未出現(xiàn)波浪二次反射，數(shù)值水槽造波穩(wěn)定性與持續(xù)性得到驗(yàn)證。

2.3 數(shù)值模型的消波驗(yàn)證

為采集波面參數(shù)，沿水槽長(zhǎng)度方向在模型前布置3排浪高儀、模型后布置2排浪高儀。以10%開孔率消浪板、波浪周期T=1.5 s、波高H=0.10 m為例，分別提取防波堤前、后波面信息，選取波浪穩(wěn)定后的10個(gè)波面信息繪制圖6?？梢钥闯?，數(shù)值模擬與物模試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，峰谷大致重合且沿程穩(wěn)定，驗(yàn)證通過(guò)。

圖6 波面線驗(yàn)證

將數(shù)值模擬波面信息數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算反射、透射系數(shù)的程序中，計(jì)算得出數(shù)值模擬驗(yàn)證工況的反射、透射系數(shù)結(jié)果(表1)，并與物模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析。結(jié)果表明，數(shù)值模擬反射、透射系數(shù)誤差范圍均在2%以內(nèi)，誤差較小，驗(yàn)證效果較好。

表1 反射、透射系數(shù)驗(yàn)證

綜合以上兩種數(shù)值模擬驗(yàn)證，其結(jié)果與物模試驗(yàn)基本一致，透空堤模型消波效果良好且數(shù)值模擬條件設(shè)定較為接近物模試驗(yàn)情況，因此FLOW-3D數(shù)值模擬效果較好，該數(shù)值模型具有較好的準(zhǔn)確度和可靠性。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

探討水位位于消浪板處時(shí)，消浪板開孔率、相對(duì)入水深度以及傾斜角度等因素對(duì)此類型透空堤反射系數(shù)、透射系數(shù)及波能分布的影響水平。

反射系數(shù)Kr定義為Goda[10]兩點(diǎn)法計(jì)算分離出反射波高Hr與入射波高Hi的比值，并由第1、2排浪高儀數(shù)據(jù)計(jì)算反射系數(shù)與第2、3排浪高儀數(shù)據(jù)計(jì)算反射系數(shù)求取平均值所得；透射系數(shù)Kt定義為透射波高Ht與入射波高Hi的比值，其中透射波高Ht由第4、5排浪高儀分別通過(guò)上跨零點(diǎn)法計(jì)算結(jié)果求取平均值所得。

入射波能與透空堤相互作用后轉(zhuǎn)化為3部分，可表征為：堤前波能反射率Er、堤后波能透射率Et和透空堤波能耗散率Ed：

(7)

(8)

(9)

3.1 消浪板開孔率的影響

在迎浪側(cè)第一排斜樁上布置開孔消浪板時(shí)，除開孔率不同外，開孔中心位置、開孔數(shù)量和排布形式等均相同，且消浪板相對(duì)入水深度均為0.85、傾斜角度均為15°，以便進(jìn)行比較。

從圖7中可以看出，3種開孔率消浪板的反射系數(shù)隨周期增大而減??；此外，開孔率越大模型反射系數(shù)越小，最小反射系數(shù)在0.1左右。從圖8可以看出，3種開孔率消浪板透射系數(shù)隨周期增大而減小，最小透射系數(shù)在0.4左右；此外，開孔率越大模型透射系數(shù)越大，最大透射系數(shù)在0.7左右。

圖7 反射系數(shù)Kr

圖8 透射系數(shù)Kt

從表2可以看出，10%開孔率消浪板反射波能占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另兩種開孔率消浪板，且透射波能占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另兩種開孔率消浪板，透空堤消耗波能較多，消浪性能更優(yōu)，這是由于消浪板開孔率較小，波浪與消浪板相互摩擦作用增強(qiáng)，削減波能也就越多。

表2 消浪板開孔率變化的波能分析

因此，從防波堤消能角度分析，布置10%開孔率消浪板可以提高透空堤波浪耗散能力，約可消耗掉60%以上波浪能量。

3.2 消浪板相對(duì)入水深度的影響

研究表明，波浪能量主要集中在靜水面附近3倍波高范圍內(nèi)，因此消浪板深入水面距離也會(huì)對(duì)透空堤的消浪能力產(chǎn)生影響。消浪板相對(duì)入水深度是指消浪板淹沒于水面以下垂直距離與水深的比值，改變消浪板相對(duì)入水深度時(shí)，其開孔率均為10%、傾斜角度均為15°。

由圖9可知，模型反射系數(shù)隨相對(duì)入水深度減小而減小，減小幅度隨之增加。由圖10可知，模型透射系數(shù)隨相對(duì)入水深度增大而減小，減小幅度逐漸變大，其變化趨勢(shì)與反射系數(shù)剛好相反。分析可知，根據(jù)波能分布規(guī)律，較長(zhǎng)消浪板對(duì)波浪削減作用更強(qiáng)，即開孔消浪板相對(duì)入水深度越大，透空堤消浪性能越好。

圖9 反射系數(shù)Kr

圖10 透射系數(shù)Kt

表3給出了消浪板相對(duì)入水深度改變時(shí)的波能分布。可知，消浪板相對(duì)入水深度越大，透空堤消耗波能越多，透射波能占比越小，而堤前反射回外海的波能占比越大，但增加幅度并不大。因此，此種透空堤的開孔消浪板相對(duì)入水深度不宜過(guò)小，但一味增大相對(duì)入水深度又會(huì)影響透空堤前后水體交換能力，因此開孔消浪板相對(duì)入水深度為0.85時(shí)效果較好。

表3 消浪板相對(duì)入水深度變化的波能變化

3.3 消浪板傾斜角度的影響

波浪入射方向與消浪板夾角也會(huì)對(duì)透空堤消浪性能產(chǎn)生影響，改變消浪板傾斜角度時(shí)，其開孔率均為10%、相對(duì)入水深度均為0.85。本文中消浪板傾斜角度定義為與垂直方向所成夾角。

從圖11和圖12中可以看出，消浪板傾斜角度變化對(duì)反射系數(shù)、透射系數(shù)影響較小，但開孔消浪板-15°傾斜時(shí)反射、透射系數(shù)均相對(duì)較小，說(shuō)明其對(duì)削減堤后波浪效果更好。

圖11 反射系數(shù)Kr

圖12 透射系數(shù)Kt

表4給出消浪板傾斜角度改變時(shí)的波能分布?？芍?，0°與15°消浪板波能分布相近，而-15°消浪板反射波能占比與透射波能占比較另兩種傾斜角度消浪板均較小，透空堤消耗波能更多，說(shuō)明布置-15°消浪板時(shí)透空堤消浪性能更優(yōu)，這是因?yàn)?15°消浪板與波面之間形成一個(gè)楔形，波浪傳播到此處時(shí)與板相互作用增大，消浪性能更佳。

表4 消浪板傾斜角度變化的波能分析

4 結(jié)論

1)新型樁基透空堤既可擋浪擋沙也可保證港內(nèi)外水體交換、保護(hù)海域水動(dòng)力環(huán)境，其消浪性能顯著，消浪板開孔率對(duì)消浪性能影響表現(xiàn)為：開孔率越大，透空堤反射系數(shù)越小，透射系數(shù)越大。

2)開孔消浪板相對(duì)入水深度不宜過(guò)小，一味增大相對(duì)入水深度會(huì)影響透空堤前后水體交換能力，開孔消浪板相對(duì)入水深度為0.85效果較佳。

3)開孔消浪板-15°布置時(shí)，與波面之間形成一個(gè)楔形，波浪傳播到此處與板相互作用增大，透空堤消浪性能大幅提升。

4)綜上，水位位于開孔消浪板處時(shí)，消浪板形式對(duì)該新型附帶消浪板樁基透空堤消浪性能影響較為明顯，消浪板開孔率為10%、相對(duì)入水深度為0.85、傾斜角度為-15°的設(shè)計(jì)方案效果最佳，透射波能占比僅約為17%。