CC BY
52
удк 532.5
Чан Лонг Занг, И.Г. Кантаржи, Н.Д. Зуев, Н.В. Шунько
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБТЕКАНИЯ ВОЛНАМИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СТЕНКИ КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ
Строительство оградительных сооружений современных морских портов требует разработки расчетной модели взаимодействия волн с элементами конструкций возводимых портовых сооружений. Подобная модель должна основываться на численных гидродинамических моделях, позволяющих учесть все особенности волнового взаимодействия с сооружениями, в т.ч. и на разных этапах строительства, что в свою очередь дает возможность выполнить производство строительных работ в соответствии с намеченным планом. Для верификации таких моделей необходимо также проведение экспериментальных исследований в лабораторных условиях с физической моделью оградительного сооружения в заданном масштабе. Рассмотрены методика и результаты физического моделирования волновых нагрузок, действующих на оградительные глубоководные сооружения вертикальной конструкции порта на разных стадиях строительства.
Ключевые слова: оградительные портовые сооружения, глубоководные свайные молы, волновые нагрузки, экспериментальные исследования, дифракция волн, обтекание.
цель и задачи исследований, расчет устойчивости сооружений оградительных молов на стадии строительства отличается от аналогичного расчета построенного сооружения. так, рекомендуется [1—4], при расчете оградительных молов принимать расчетную обеспеченность волн в режиме 1 раз в 100 лет на период эксплуатации (сооружение I класса) и 1 раз в 1 год на строительный период. такой подход естествен, так как период строительства по протяженности намного меньше времени жизни сооружения.
однако существующие нормативные документы не учитывают и других различий периодов строительства и эксплуатации. так, в последнее время стали популярными свайные оградительные сооружения, включающие в состав конструкции стенку-рефлектор. как правило, эта стенка возводится из шпунта. Если мол строится с моря, то на разных стадиях строительства волны воздействуют на построенные участки стенки различной конечной длины.
для определения расчетной волновой нагрузки на стенку [5—7] рекомендуется учитывать со стороны моря расчетное подходящее волнение. А со стороны акватории дифрагированные волны, распространяющиеся вдоль стенки мола. такой подход автоматически предполагает, что волны взаимодействуют со стенкой с обтеканием с дифракцией.
известно [8, 9], что для обтекаемых преград волнами существуют два основных режима обтекания. первый относится к так называемым малым преградам, влиянием которых на волновое поле можно пренебречь. второй режим — обтекание с дифракцией и отражением или относительно большие преграды — требует учета влияния преграды на волновой режим. отнесение расчетной ситуации к первому или второму режиму обтекания определяется отношением поперечного характерного размера преграды й к длине волн I принято считать [10], что при й/X < 0,2 дифракцией можно пренебречь, при й/X > 0,2 дифракция важна.
встречались ситуации, когда длина построенной стенки составляла всего несколько метров. в частности, при строительстве глубоководного мола геопорта в цемесской бухте, г. новороссийск, в силу сложных ветро-волновых условий вол-
новой нагрузке подвергались участки шпунтовой стенки длинои всего несколько шпунтин [11]. Волнозащитная стенка строится из стального двутаврового шпунта сечением 1190 х 796 мм. Длина глубоководного участка оградительного мола 680 м, глубина в месте установки около 25 м. Мол строится с моря для защиты уже существующих причалов.
Для изучения условий обтекания волнами волно-защитной стенки различной длины проведены экспериментальные исследования, результаты которых представлены в настоящей статье.
Целью проведенных экспериментов являлось исследование взаимодействия набегающего волнового потока со стенкой разной длины, фиксация с помощью фото-и видеоаппаратуры эволюции волновой картины в окрестности стенки, выяснение соотношений длин волн и стенки, при которых имеет место дифракция волн. Полученная в экспериментах картина взаимодействия сравнивается с аналитическими расчетами волновой силы по дифракционной теории и теории обтекания без дифракции.
Кроме этого, в опытах измерялась суммарная сила, действующая со стороны волн на исследуемую стенку.
Схема опытов и измерительная система. Схема опытов показана на рис. 1. Основные размеры волнового лотка: длина 20 м; ширина 1,2 м; высота стенок 1,5 м. Волны генерировались щитовым волнопродуктором, установленным в приямке у одной из торцевых стенок лотка.
План
Волногаситель
1
1
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Условия опытов выбраны в соответствии с расчетными условиями глубоководного мола в Цемесской бухте, при геометрическом масштабе 1:50. В опытах длина стенки равнялась 80, 60, 40 и 20 см, соответственно в натуре — 40, 30, 20 и 10 м.
параметры расчетных волн в натуре для шторма повторяемостью 1 раз в год [12, 13], (для строительного периода): высота волн Н1% = 4 м, глубина воды перед стенкой С = 25 м, средняя длина волн X = 76 м, средний период волн Т = 10 с, в масштабе модели уменьшался в соотношении 1Д/50 и составлял 1,4 с. Высота волн на модели составляла 8 см. моделирование выполнялось для регулярных волн, имитирующих расчетные для реальных условий Цемесской бухты. Модели стенки располагались под углом 42° к лучу волн.
Волны генерировались щитовым волнопродуктором, установленным в приямке у одной из торцевых стенок лотка. Для чистоты проведения экспериментов исходный волновой режим в лотке подбирался до установки сооружений.
Измерения параметров волн как при подборе режима, так и в процессе экспериментов осуществлялись инструментально при помощи емкостных волнографов ДУЕ, с обработкой результатов измерений на персональном компьютере. Датчик-волнограф устанавливался в створе модели в свободной части лотка (см. рис. 1) для исключения влияния отраженных волн.
Измерения и обработка результатов выполнялась с помощью измерительной системы, состоящей из персональной ЭВМ, соединенной с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) по каналу USB, платы фильтров, пассивной кабельной системы, измерительных датчиков, преобразователей и программ для обработки данных. Применялся АЦП типа Е-140 фирмы L-card, имеющий до 32 аналоговых каналов сбора данных.
Модель стенки закреплялась на трех датчиках усилий. Технические параметры датчиков усилий: диапазон рабочих температур от -40 до +150 °С; время ответа 10 с; максимальная рабочая сила 20 кгс; максимальное напряжение питания 10 В, точность 0,7 %.
Результаты исследований. Картина волн, взаимодействующих с моделью стенки, шириной 20 см показана на фото, рис. 2. Волны обтекают стенку и дифракция волн за ней не наблюдается. На рис. 3 представлены результаты измерений волновой поверхности и усилий силовых датчиков. Амплитуда показаний волновых датчиков приблизительно соответствует 8 см, а размах суммарной силы по записям силовых датчиков приблизительно соответствует 2 В.
t, с
-Датчик 1 ..............Датчик 2 -------Датчик 3
" Высота волн —■— Суммарная сила
Рис. 3. Волновая поверхность и усилия от волн, действующие на модель стенки шириной 20 см
На рис. 3 показаны синхронные записи волновой поверхности и сил по каждому силовому элементу для этого опыта, а также суммарная сила от волн на стен-
Рис. 2. Взаимодействие волн с моделью стенки шириной 20 см
ку. Уровень волновой поверхности п измеряется в сантиметрах, показания датчиков силы — в Вольтах (до тарировки).
Высота волн по записи равна с небольшими колебаниями 8 см, что соответствует высоте волн, задаваемой в эксперименте. Она показывает, что при выбранном положении датчика-волнографа влияние стенки на показания датчика в процессе опыта минимальны.
Максимальная волновая сила по фазе несколько опережает фазу волн, как и следовало ожидать для волновой нагрузки, состоящей из силовой и инерционной компонент.
Картина волнения на второй физической модели шириной 40 см представлена на рис. 4, где видно, что волна в этом случае также обтекает стену, хотя картина волн здесь более сложная. Это отражается и в более нерегулярной записи волновой поверхности. Эта нерегулярность отражает и наложение вихрей, формирующихся у стенки при обтекании волновым потоком (рис. 5). Значение размаха суммарной волновой силы Рис 4 взаимодействие волн с моде-
около 4 в. лью стенки шириной 40 см
14 12 10
400
■Датчик 1 ■ Высота волн
Датчик 2
- Суммарная сила
■ Датчик 3
Рис. 5. Волновая поверхность и усилия от волн, действующие на модель стенки шириной 40 см
8
6
4
2
Картина волнения на модели со стенкой шириной 60 см представлена на рис. 6. Как видно из рисунка, волна обтекает стенку, и эффекты нерегулярности усиливаются по сравнению с предыдущим опытом. Размах колебаний суммарной силы около 8 В (рис. 7).
В случае модели стенки шириной 80 см (рис. 8) видно, что волна обтекает стену с дифракцией и за стенкой образуется практически поперечная дифрагированная волна. На соответствующем
Рис. 6. Взаимодействие волн с моделью стенки шириной 60 см
рис. 9 размах суммарной силы больше 10 В. Гребни волн характерно двухгор-бые, что соответствует наложению двух систем волн.
14 12
10 -Ъ 8 6 : 4
2 Щ 0 -2
t, c
-Датчик 1 ..............Датчик 2 -------Датчик 3
" Высота волн ■ Суммарная сила
Рис. 7. Волновая поверхность и усилия от волн, действующие на модель стенки шириной 60 см
Рис. 8. Взаимодействие волн с моделью стенки шириной 80 см
t (О
Датчик 1 ..............Датчик 2 -------Датчик 3
Высота волн —■— Суммарная сила
Рис. 9. Волновая поверхность и усилия от волн, действующие на модель стенки шириной 80 см
В процессе подготовки экспериментов, была проведена тарировка измерительной аппаратуры, и получен тарировочный коэффициент для силовых датчиков, равный 0,4025 В/кГ. После тарировки определены значения максимальной волновой силы: в первом опыте 1,94 кГ, во втором — 5,76 кГ, в третьем — 10,55 кГ и в четвертом — 13,03 кГ. Измеренные значения суммарных волновых сил в зависимости от длины модели стенки приведены на рис. 10, а значения максимальной силы на единицу длины стенки показаны на рис. 11.
16
14
12
и 10
к
ей л 8
и
с 6
4
2
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Длина стенки, м
Рис. 10. Суммарная волновая сила в зависимости от длины стенки
0
0,000
0,100 0,200 0,300 0,400
Длина препятствия/длина волны
0,500
Рис. 11. Значение силы на единицу длины стенки в зависимости от отношения «длина препятствия/длина волн»
На рис. 11 по горизонтальной оси отложено отношение длины проекции стенки на направление поперек волнового потока к длине волн. Измеренная длина волн в опытах составляла 1,56 м.
Таким образом, на основании опытов установлено, что суммарная волновая сила на стенку увеличивается с ростом ее длины при постоянном волновом режиме, что естественно. Однако величина волновой силы на погонный метр стенки растет с увеличением длины стенки до значения отношения длины поперечного препятствия к длине волн 0,28, а затем уменьшается (см. рис. 11). Можно предположить, что это связано с изменением характера взаимодействия волн с препятствием, переходом от обтекания без дифракции к обтеканию с дифракцией. При этом граница 0,28 близка к оценке по отношению поперечного размера препятствия к длине волн, принимаемой при разделении режимов обтекания и равной 0,2. Для проверки сделанного предположения необходимо выполнить расчеты волновой силы для условий экспериментов по соответствующим волновым теориям и сравнить их с результатами, полученными в опытах [14].
Библиографический список
1. СНиП 2.06.04—82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов) / ГОССТРОЙ СССР. М., 1989.
2. Weggel J.R., Maxwell W.H. Numerical model for wave pressure distributions. Proc. ASCE, J. Waterw. Harbors Coastal Eng. Div, 1970, WW3: 623—642.
3. U.S. Army Corps of Engineers. Coastal Engineering Manual (CEM), 2006, Veri-Tech, Inc., Washington, DC.
4. Minikin R.R. Winds, Waves and Maritime Structures. Charles Griffin, 1950, London.
5. Чан Л.З., Кантаржи И.Г. Волновые нагрузки и устойчивость экранирующей стенки портового мола в период строительства // Вестник МГСУ. 2011. № 5. С. 48—53.
6. Hattori M, Arami A. and Yui T. Wave impact pressure on vertical walls under breaking waves of various types. Coastal Eng, 1994. Vol. 22, pp. 79—114.
7. Tran L.G. and Kantardgi I.G. Numerical study of the wave load on the reflecting wall of the port mole at the construction stage. European researcher, 2011. № 5—1(7).
8. Лаппо Д.Д., Стрекалов С.С., Завьялов В.К. Нагрузки и воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения. Ленинград : ВНИИГ, 1990.
9. Peregrine D.H. Water-wave impact on walls. Annu. J. Rev. Fluid Mech, 2003. Vol. 35, pp. 23—43.
10. Шахин В.М., Шахина Т.В. Метод расчета дифракции и рефракции волн // Океанология. 2001. Т. 41. № 5. С. 674—679.
11. БреббиаК., Уокер С. Динамика морских сооружений. Ленинград : Судостроение, 1983.
12. Kirkgoz M.S. An experimental investigation of a vertical wall response to breaking wave impact. Ocean Eng, 1990. Vol. 17(4), pp. 379—391.
13. BlackmoreP.A., Hewson P.J. Experiments on full scale wave impact pressures. Coastal Eng, 1984. Vol. 8, pp. 331—346.
14. Тлявлин Р.М. Проницаемые волногасящие гидротехнические сооружения в жестком каркасе : дисс. ... канд. техн. наук. Сочи, 2006. 153 с.
Поступила в редакцию в мае 2012 г.
Об авторах: Чан Лонг Занг — аспирант кафедры гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; trangiang@yandex.ru;
Кантаржи Игорь Григорьевич — доктор технических наук, профессор кафедры гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; kantardgi@ yandex.ru;
Зуев Николай Дмитриевич — кандидат технических наук, заведующий сектором измерений отраслевой научно-исследовательской лабораторией морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; nd43zuev@ yandex.ru;
Шунько Наталья Владимировна — заведующая отраслевой научно-исследовательской лабораторией морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; nаtshunko@rambler.ru.
Для цитирования: Экспериментальные исследования обтекания волнами вертикальной стенки конечной длины / Чан Лонг Занг, И.Г. Кантаржи, Н.Д. Зуев, Н.В. Шунько // Вестник МГСУ. 2012. № 7. С. 101—108.
Tran Long Giang, I.G. Kantarzhi, N.D. Zuev, N.V. Shun'ko
EXPERIMENTAL STUDY OF WAVE FLOWS AROUND THE FINITE LENGTH VERTICAL WALL
Construction of breakwater structures of modern seaports requires computational models describing interaction of waves with structural elements of ports. The model should be based on numerical hydrodynamic models that contemplate all constituents of interaction between waves and structures, including those at various stages of construction. The above model makes it possible to have construction works performed in accordance with the pre-developed plan. Experimental
ВЕСТНИК 7/2Q12
research of the behaviour of breakwater structures is to be conducted in laboratories. A scaled natural model is to be used for the above purpose to verify the model behaviour. The authors consider the methodology and results of experiments involving models of wave loads produced on vertical breakwater structures at various stages of their construction.
On the basis of the experiments conducted by the authors, it is discovered that the value of the total wave force, that the vertical wall is exposed to, increases along with the wall length in the event of a constant wave mode, which is natural. However, the per-meter value of the wave force increases along with the increase in the length of the wall until it reaches the value of the length of a transverse obstacle divided by the length of waves equal to 0.28; thereafter, the wave force goes down. The authors assume that this phenomenon is caused by the change in the nature of interaction between waves and an obstacle and a transition from a diffraction-free flow to a diffraction flow. The authors believe that further researches are necessary to explore the phenomenon.
Key words: breakwater structures, deep pile protective port wall, wave load, experimental study, diffraction of waves, flow.
References
1. SNiP2.06.04—82*. Nagruzkii vozdeystviya na gidrotekhnicheskie sooruzhenya (volnovye, ledovye i ot sudov) [Construction Norms and Rules 2.06.04—82*. Loads and Actions on Hydraulic Structures (Waves, Ice and Vessels). GOSSTROY SSSR [State Committee for Construction] Publ., Moscow, 1989.
2. Weggel J.R., Maxwell W.H. Numerical Model for Wave Pressure Distributions. Proc. ASCE, J. Waterw. Harbors Coastal Eng. Div, 1970, WW3: 623—642.
3. U.S. Army Corps of Engineers. Coastal Engineering Manual (CEM), 2006, Veri-Tech, Inc., Washington, DC.
4. Minikin R.R. Winds, Waves and Maritime Structures. Charles Griffin, 1950, London.
5. Tran L.G. and Kantardgi I.G. Volnovye nagruzki i ustoychivost' ekraniruyushchey stenki portovo-go mola vperiodstroitel'stva [Wave Load and Stability of the Port Mole Wall in the Period of Construction]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 5, pp. 48—53.
6. Hattori M., Arami A., and Yui T. Wave Impact Pressure on Vertical Walls under Breaking Waves of Various Types. Coastal Eng, 1994, vol. 22, pp. 79—114.
7. Tran L.G. and Kantardgi I.G. Numerical Study of the Wave Load on the Reflecting Wall of the Port Mole at the Construction Stage. European Researcher Publ., 2011, no. 5—1(7).
8. Lappo D.D., Strekalov S.S., Zav'yalov V.K. Nagruzki i vozdeystviya vetrovykh voln na gidrotekh-nicheskie sooruzheniya [Loads and Actions of Wind Waves Produced on Hydraulic Structures]. Leningrad, VNIIG Publ., 1990.
9. Peregrine D.H. Water-wave Impact on Walls. Annu. J. Rev. Fluid Mech, 2003, vol. 35, pp. 23—43.
10. Shakhin V.M., Shakhina T.V. Metod rascheta difraktsiii refraktsii voln [Method of Analysis of Diffraction and Refraction of Waves]. Okeanologiya Publ., 2001, vol. 41, no. 5, pp. 674—679.
11. Brebbia C. A., Walker S. Dinamika morskikh sooruzheniy [Dynamic Analysis of Offshore Structures]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1983.
12. Kirkgoz M.S. An Experimental Investigation of a Vertical Wall Response to Breaking Wave Impact. Ocean Eng, 1990, vol. 17(4), pp. 379—391.
13. Blackmore P.A., Hewson P. J. Experiments on Full Scale Wave Impact Pressures. Coastal Eng, 1984, vol. 8, pp. 331—346.
14. Tlyavlin R.M. Pronitsaemye volnogasyashchie gidrotekhnicheskie sooruzheniya v zhestkom karkase [Permeable Wave Cancelling Hydraulic Structures That Have Rigid Frames]. Sochi, 2006, 153 p.
About the authors: Tran Long Giang — postgraduate student, Department of Hydraulic Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; trangiang@yandex.ru;
Kantarzhi Igor' Grigor'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; kantardgi@yandex.ru;
Zuev Nikolay Dmitrievich — Candidate of Technical Sciences, Project Manager, Marine Research Laboratory, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; nd43zuev@yandex.ru;
Shun'ko Natal'ya Vladimirovna — Director, Marine Research Laboratory, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; natshunko@rambler.ru.
For citation: Tran Long Giang, Kantarzhi I.G., Zuev N.D., Shun'ko N.V. Eksperimental''nye issle-dovaniya obtekaniya volnami vertikal''noy stenki konechnoy dliny [Experimental Study of Wave Flows around the Finite Length Vertical Wall]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 7, pp. 101—108.
