ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИСХОДНОГО ВОЛНЕНИЯ ПРИ ИСКАЖЕНИИ МАСШТАБА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ГИДРАВЛИКА. ГЕОТЕХНИКА. ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО

НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER

УДК 626-1/-2 : 551.466.44

DOI: 10.22227/1997-0935.2022.1.83-92

Преобразование параметров исходного волнения при искажении масштаба гидравлической модели

Юрий Александрович Шелушинин1'2

1 Сочинский государственный университет (СГУ); г. Сочи, Россия; 2 Научно-исследовательский центр «Морские берега» — филиал Научно-исследовательского института транспортного строительства (НИЦ «Морские берега» — филиал НИИТС); г. Сочи, Россия

АННОТАЦИЯ

Введение. В процессе разработки физических моделей гидротехнических сооружений часто применяется метод искажения масштаба. При этом научные исследования по самой методике искажений проводятся редко, особенно применительно к моделированию ветрового волнения. В современной практике искажение масштаба затрагивает только подводный рельеф и гидротехнические сооружения. Волнение остается без преобразования, что может приводить к погрешностям в режиме волн в контрольных точках на модели. С учетом данных о возникающих погрешностях рассмотрен вопрос преобразования параметров исходного волнения при искажении масштаба физической модели.

Материалы и методы. Применили физическое и численное моделирование. Экспериментальные исследования проводились в волновом лотке и волновом бассейне со стационарными продуктами. В ходе экспериментов осуществлялось измерение параметров волн в контрольных точках на искажаемых физических моделях при преобразовании режима исходного волнения. При помощи численного моделирования рассмотрены расчетные схемы, ^ ^ аналогичные физическим моделям. £ О

Результаты. Получен комплекс данных по режиму волнения на физических моделях с разной степенью искажения к и в условиях трансформации и дифракции волн. Сопоставлены результаты физического и численного моделирова- _ к

ция волн, дифракция волн

О

ния. Приведена оценка результатов, которых можно достигнуть при преобразовании параметров исходного волне ния на искажаемых физических моделях. Выводы. Искажение масштаба вносит изменения в режим волнения, которые могут не поддаваться простому кон- ** тролю и корректировке, что необходимо учитывать в научной практике при разработке искаженных гидравлических м моделей. Рассмотренный подход в разной мере эффективен для каждой конкретной физической модели с ее харак- § — терными процессами. 1 <

< 9

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: физическое моделирование, гидравлическая модель, искажение масштабов, трансформа- О 9

г —

Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90009. 0 5

< (

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Шелушинин Ю.А. Преобразование параметров исходного волнения при искажении масштаба О =■ гидравлической модели // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. Вып. 1. С. 83-92. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.1.83-92 ^ §<

Автор, ответственный за переписку: Юрий Александрович Шелушинин, 9117875@mail.ru.

со со

Changes in the initial parameters of waves caused by distortions

in the scale of a hydraulic model > g

о о

С О

Yuriy A. Shelushinin12 a

1 Sochi State University (SSU); Sochi, Russian Federation; о )

2 Research Center "Sea Coast" — a branch of the Research Institute of Transport Construction; V •

Sochi, Russian Federation 1 о

--¡7

ABSTRACT ф .

л ■

Introduction. The distorted scale method is often used to develop physical models of hydraulic structures. Notably, scientific ■ И

researches concerning the methodology of distortions are quite rare, especially those that are focused on the modeling of wind jf ^

waves. In the modern practice, scale distortions only affect the underwater topography and hydraulic structures. In this case, W С

initial waves remain unchanged, and this can lead to errors in the wave mode at the control points of a model. Given the data ф ф

on errors, the author considers the changes in the parameters of initial waves, if the scale of a physical model is distorted. , ,

Materials and methods. The author used methods of physical and numerical modeling. Experimental studies were con- 2 2

ducted in a wave flume and a wave pool that had a wavemaker. In the course of the experiments, the initial wave mode was 2 2

changed and the parameters of waves were measured at the control points of distorted physical models. Numerical mode- 2 2 ling was employed to analyze the computational patterns similar to the physical models.

© Ю.А. Шелушинин, 2022 83

Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)

Results. The author used physical models featuring varying degrees of distortion to obtain a collection of the wave mode data under the conditions of the wave transformation and diffraction. Physical and numerical modeling results are compared. The author provides an assessment of the results attained by changing the parameters of initial waves and distorted physical models.

Conclusions. The scale distortion triggers changes in the wave mode that may not be easy to control and correct. This fact must be taken into account when distorted hydraulic models are developed. This approach demonstrates varying efficiency if applied to different physical models featuring characteristic processes.

KEYWORDS: physical modeling, hydraulic model, scale distortion, wave transformation, wave diffraction Acknowledgements. The reported study was funded by RFBR, project No. 20-38-90009.

FOR CITATION: Shelushinin Yu.A. Changes in the initial parameters of waves caused by distortions in the scale of a hydraulic model. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2022; 17(1):83-92. DOI: 10.22227/19970935.2022.1.83-92 (rus.).

Corresponding author: Yuriy A. Shelushinin, 9117875@mail.ru.

N N N N О О N N

К ш U 3

> (Л

с и to I»

1

ф ф

о ё

о

о о

со <

со S:

8 «

™ §

ОТ "

от Е

Е о CL О

^ с

ю о

S «

о Е

СП ^ т- ^

от от

О (0

ВВЕДЕНИЕ

В мировой практике при физическом моделировании ветрового волнения всегда используется приближенное динамическое подобие в той или иной степени [1-6], ведь для обеспечения строгого динамического подобия потребовалось бы создавать модель с натурными габаритами. Одновременное выполнение всех условий подобия дает гарантию точного подобия процессов и считается, бесспорно, достаточным, но не всегда необходимым, чтобы опыт имел должное познавательное значение. Для уменьшения физической модели приходится пренебрегать наименее значимыми условиями и вырождающимися критериями подобия, принимать допущения и степень приближения, при которой достоверность получаемых данных будет достаточной.

Гидравлические модели с искаженным масштабом [7-9] применяются в качестве особого вида приближения, к которому прибегают из-за необходимости уменьшения модели. Чтобы такое приближение отвечало целям исследования, требуется обеспечить и обосновать соответствие модельных процессов натурным. Приближение будет лишено практического смысла, если на изучаемые сооружения начинает воздействовать новый режим волнения, не имеющий обоснованного соответствия натурным процессам.

Тема искажения масштабов физической модели актуальна в настоящее время, поскольку в проектной практике данный метод применяется довольно часто [10-17], а научных исследований по самой методике искажений очень мало, особенно применительно к моделированию волнения.

Среди причин, по которым в исследовательских работах прибегают к искажению пропорций физических моделей, можно выделить две основные — это ограниченность размеров лабораторных установок и невозможность бесконечного уменьшения модели при изучении процессов волнения. Помимо этого, строительство и эксплуатация крупноразмерных физических моделей связана с существенными финансовыми и временными затратами, что критично в условиях современной производственной прак-

тики. Реже причиной искажения масштаба могут служить иные объективные обстоятельства, как, например, необходимость компенсации уклонов профиля динамического равновесия при использовании натурного песка на модели [18].

Данные о проведенных экспериментальных исследованиях с искажением масштаба можно найти как в России, так и за рубежом [10-17]. К примеру, при лабораторных исследованиях волнения в порту Апра (о. Гуам, США) только путем искажения масштаба удалось компенсировать нежелательное появление ламинарного режима движения жидкости [19]. При моделировании волнения в порту Лит-лтон (Англия) было решено применить искаженный масштаб, чтобы затухание волн на пути от волно-продуктора до ворот не превышало 15 %.

В мире до сих пор востребованы крупногабаритные лабораторные установки, что само по себе говорит о недостаточном научном обосновании и неготовности метода искажения масштабов для широкого применения. В качестве примера можно отметить современный волновой канал в Ганновере длиной 310 м. Ширина канала составляет 5 м, а высота щита волнопродуктора 7 м. Подобные габариты экспериментальной установки позволяют моделировать гидравлические процессы практически в натурном масштабе.

Одним из способов искажения масштаба является сжатие плановых (горизонтальных) габаритов акватории относительно ее вертикальных размеров [18]. При этом параметры волн на модели задаются в соответствии с неискаженным вертикальным масштабом.

В современной практике при моделировании волнения искажение масштаба затрагивает только рельеф и гидротехнические сооружения [10, 11, 18]. В модельной акватории с измененным рельефом воспроизводится исходное волнение без преобразования. Волнение по-разному взаимодействует с разными формами рельефа, и поскольку искажение масштаба затрагивает подводный рельеф, то требуется рассмотреть и вопрос преобразования исходного волнения. Результаты численного моделирования [10, 11] также подталкивают к вопросу преобразования параметров исходного волнения.

Для степени искажения масштаба, как для задаваемого параметра модели, не существует выраженной автомодельной области подобия процессов волнения. При искажении масштаба физической модели, для которой характерны процессы рефракции и трансформации волн, возникающие погрешности в режиме волнения в основном обусловлены изменением двух параметров: уклона подводного рельефа и угла подхода волн к подводному склону. При наличии выраженных процессов дифракции (огражденные акватории) появляются два дополнительных параметра, изменение которых во многом определяет возникающие погрешности при искажении масштаба — это ширина входного створа и расстояние от него до расчетных точек. Изменение вышеописанных параметров в результате искажения пропорций модели ожидаемо сказывается на режиме волнения, исходные параметры которого искажение масштаба не затрагивает.

Определенная степень искажения масштаба в каждом случае оказывает уникальное влияние на получаемые при моделировании результаты [10, 11]. Эффект от искажения геометрических пропорций обусловлен конкретной формой рельефа, осью и степенью искажения, параметрами волнения и выбранными расчетными точками. К примеру, погрешности в режиме волнения, возникающие при искажении простого и сложного рельефа, существенно различаются. Из этого следует, что любые математические зависимости для пересчета данных искаженного моделирования должны содержать параметр, учитывающий особенности искажаемого рельефа. Для достоверного установления подобного параметра требуется проводить отдельные сопровождающие экспериментальные исследования для каждого конкретного расчетного случая. При этом в любой научной работе нерационально увеличивается объем экспериментальных исследований, ведь каждый раз необходимо осуществлять одни физические опыты ради повышения достоверности других.

В качестве альтернативы рассмотрен способ, при котором параметры исходного волнения на физической модели подвергаются преобразованию с учетом данных численного моделирования о возникающих погрешностях. Например, при сжатии плановых размеров физической модели относительно неизменного вертикального масштаба параметры волнения в разных расчетных точках в различной степени увеличиваются в результате сокращения горизонтальных расстояний и увеличения уклонов подводного рельефа. В таком случае, согласно рассмотренному способу, параметры исходного волнения подвергаются уменьшению методом последовательных приближений.

Преобразование параметров исходных волн должно быть нацелено на достижение следующих результатов:

• уравнивание величины погрешностей для разных расчетных точек;

• упрощение изменений в режиме волнения, возникающих при искажении масштаба;

• более точное соответствие натурным условиям получаемых на модели данных и повышение точности прогнозирования;

• повышение обоснованности принимаемых степеней искажения масштаба.

При преобразовании параметров волнения следует придерживаться нескольких основных правил, это сохранение:

• пологости волн;

• соответствия планов рефракции и дифракционных картин;

• соответствия модельного и натурного режимов волнения по основным параметрам (при возможности).

Сохранение пологости волн [4-6] при моделировании является очевидной необходимостью, поскольку отражает характер воздействия волн на исследуемые сооружения и соответствие общей волновой обстановки натурным условиям. Физическая модель не будет иметь познавательной ценности, если волна, к примеру, в опытах начнет обрушаться в глубоководной зоне, либо превратится в длиннопериодное изменение уровня моря. В качестве характерного параметра, определяющего пологость, стоит использовать классическое соотношение высоты и длины волны (й/Х) [2, 5, 20]. Следовательно, для исходного и преобразованного режима волнения должно обеспечиваться равенство:

К* = К

Кох К

где й и Х — соответственно высота и длина ис-

исх исх

ходной волны; йпр и Хпр — высота и длина преобразованной волны в модельном масштабе.

Совпадение планов рефракции и дифракционных картин на модели и в натуре упрощает интерпретацию получаемых на модели данных. Оценка общего характера рефракции или дифракции волн может осуществляться, к примеру, путем численного моделирования, в ходе которого проводится трассировка волновых лучей по нормативной методике расчета [20], представленной в СП 38.13330.

Преобразование параметров исходных волн в общем случае требуется нацелить на сохранение схемы рефракции и дифракции, чтобы модельная волновая обстановка соответствовала натуре. В результате искажения масштаба на исследуемом участке не должны появляться новые формы рельефа. Например, неприемлемо исчезновение существующих подводных каньонов, как и появление новых.

Также в результате искажения масштаба следует избегать изменения дифракционной карти-

< п

£0

кК

О Г И 3

О со

=! со <

У 1

о со

и ¡з

^ I

3 °

«3 О<

з (

о?

О =!

Е м

§ 2

О) 0

«66 А Го > 6

с §

< ) и

® 7 л '

. ОН ■ £

(Л п

(Я у

с о

® Ж

ы ы о о 10 10 10 10

сч сч

сч сч

о о

сч сч

ны. Если в натурных условиях волны обрушаются на обширных отмелях, ограждающих исследуемую акваторию, то при искажении масштаба недопустимо возникновение ситуации, при которой волны на модели начнут беспрепятственно без обрушений проникать в акваторию.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Вопрос преобразования параметров исходного волнения рассмотрен при помощи физического и численного моделирования [2, 5, 6, 20].

Экспериментальные исследования проводились на базе Обособленного подразделения АО ЦНИИТС «НИЦ «Морские берега» с использованием волнового лотка и волнового бассейна со стационарными волнопродукторами. Эта экспериментальная база дает возможность моделировать процессы взаимодействия волн с подводным рельефом и оградительными сооружениями (рис. 1), а также проводить измерения элементов волн. Измерения осуществляются специально разработанными емкостными волнографами ДУЕ-1 с цифровой записью данных, а также с помощью видео- и фотокамер.

Волнографы ДУЕ-1 позволяют выполнять цифровую запись положения уровня воды с частотой 34 Гц в течение заданного промежутка времени. При установке двух и более волнографов на извест-

ном расстоянии друг от друга по линии распространения волнения, помимо высоты и периода волн по смещению фаз, на цифровой записи можно измерять скорость движения гребня и длину волны (рис. 2).

Физическое моделирование трансформации волн на искажаемом рельефе производилось в волновом лотке в масштабе 1:35. При искажении масштаба меняется уклон подводного рельефа, что приводит к погрешностям в режиме волнения. Основная задача серии опытов в волновом лотке заключалась в том, чтобы на упрощенной модели экспериментально установить, как меняется режим волнения при изменении уклона в расчетных точках и каких результатов можно достигнуть при преобразовании параметров исходного волнения по информации о возникающих погрешностях [10].

Для физической модели подводного рельефа со средним уклоном I = 0,018 по линии прохождения волн сжатие вдоль берегового или плановых размеров в 2 раза приводит к изменению уклона в расчетных точках в диапазоне I = 0,018.. .0,036. Для решения поставленной задачи были проведены опыты (рис. 3, 4) с четырьмя различными уклонами подводного рельефа и с диапазоном высот исходных волн от 9,4 до 11,4 см. Параметры волн измерялись в двух контрольных точках на глубине 28,6 и 21,4 см.

a b

Рис. 1. Волновой лоток (а) и волновой бассейн (b) на базе АО ЦНИИТС «НИЦ «Морские берега» Fig. 1. Wave flume (a) and wave pool (b) at the Seashore Research centre of the JSC Central Research Institute of Construction of Transport Facilities

Волнограф № 1 Волнограф № 2 волнение Wave recorder No. 1 Wave recorder No. 2

Initial waves

1,41 сек / sec

2,46 м / m

§3 §1

№ 1

№ 2

12 Время, сек / Time, sec

b

Рис. 2. Схема измерительной системы из волнографов ДУЕ-1 (а) и пример записи волновых колебаний уровня (b) Fig. 2. The diagram of the measurement system made of wave recorders DUE-1 (a) and a sample recording of level fluctuations (b)

a

Рис. 3. Схема физических моделей в волновом лотке: i — уклон подводного рельефа; d—глубина в контрольной точке Fig. 3. The diagram of physical models in the wave flume: i — the underwater slope; d—the depth at the control point

Процесс дифракции волн в искажаемом входном створе оградительных сооружений рассматривался как пространственная задача в волновом бассейне в масштабе 1:65 на физической модели, разработанной сотрудниками НИУ МГСУ и АО ЦНИИТС. Искажение масштаба затрагивает ширину входного створа и расстояния до расчетных точек, что приводит к погрешностям в режиме волнения. Основная задача серии опытов в бассейне состояла в том, чтобы на упрощенной дифракционной схеме экспериментально определить, как меняется режим волнения при сжатии плановых размеров огражденной акватории и каких результатов можно достигнуть при преобразовании параметров исходного волнения по данным о возникающих погрешностях [11].

Рис. 4. Волнение в контрольной точке на глубине d = 21,4 см при исходной высоте волны h = 11,4 см для уклона i = 0,018: a — ложбина; b — гребень волны

Fig. 4. Waves at the control point at a depth of d = 21.4 cm at the initial wave height h = 11.4 cm for the slope i = 0.018: a — wave trough; b — wave crest

Для физической модели огражденной акватории с шириной входного створа 4,62 м сжатие плановых размеров в 1,25 раза приводит к сокращению ширины створа до 3,69 м. С целью решения поставленной задачи выполнены опыты на упрощенном входном створе (рис. 5) с диапазоном высот исходных волн от 5,0 до 6,5 см. Параметры волн измерялись в шести контрольных точках.

Наполнение бассейна было достаточным, чтобы исключить процесс трансформации волн и сфокусировать внимание на дифракционной картине. Отражение волн от стенок бассейна и ограждающих сооружений регулировалось при помощи передвижных волногасителей и волногасящей наброски из тетраподов и гексабитов. Физические опыты проводились в соответствии с современной теорией подобия [2, 5, 6].

В ходе численного моделирования рассматривались расчетные схемы, аналогичные физическим моделям в условиях искажения масштаба и преобразования параметров исходного волнения. Расчет параметров волнения при трансформации и диф-

ракции производился по нормативной методике РФ [20], представленной в СП 38.13330.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Данные, полученные по результатам физического и численного моделирования, сопоставлены в табл. 1, 2 и на рис. 6.

Результаты расчета по нормативной методике СП 38.13330 удовлетворительно соответствуют данным экспериментов. В волновом лотке (рис. 1, 3) наглядно проявляются изменения в режиме волнения при подборе уклона рельефа и высоты исходных волн.

Согласно принципу Гюйгенса - Френеля [20] при расчете дифракции головные участки оградительных сооружений рассматриваются в качестве источников кольцевых волн, и это обстоятельство хорошо проявляется в волновом бассейне (рис. 5, Ь). Распространение кольцевых фронтов в зоне волновой тени видно невооруженным глазом даже без применения измерительных инструментов.

0 со =! со

1 о

У 1

J со

a -

3 ° о3

o о

=! (

о -s

CO CO

Q)

|\J CO О

о 6 >86 c я

h о

С n

о )

[i

ф 7 л ' . ОН

■ т

s □

(Я У

с о <D Ж

ы ы о о 10 10 10 10

a b

Рис. 5. Схема искаженной физической модели в волновом бассейне (a) и общий вид дифракции волн в опытах (b) Fig. 5. The diagram of a distorted physical model in a wave pool (a) and the general view of the wave diffraction in the course of experiments (b)

Табл. 1. Сопоставление данных физического и численного моделирования трансформации волн на искажаемом рельефе

Table 1. Data comparison on physical and numerical modeling of wave transformation on distorted relief

Степень сжатия плановых размеров Compression ratio of horizontal dimensions Исходные параметры волнения, см Initial wave parameters, cm Уклон подводного рельефа Underwater slope Высота волны на глубине 28,6 см Wave height (cm) at the depth of 28.6 cm Высота волны на глубине 21,4 см Wave height (cm) at the depth of 21.4 cm Глубина первого обрушения, см Depth of the first breaking, m

Данные физического моделирования / Data on physical modeling

Без искажения No compression Без преобразования No changes (h = 11,4; X = 357, 1) 0,018 9,0 9,3 20,2

1,33 h = 11,4; X = 357, 1 0,024 9,7 10,1 20,9

h = 10,9; X = 341,4 9,3 9,6 19,0

h = 10,7; X = 334,4 9,0 9,2 18,2

h = 10,4; X = 325,8 8,8 9,1 16,9

h = 9,9; X = 310,1 8,4 8,7 16,5

1,67 h = 11,4; X = 357, 1 0,030 10,7 Обрушение Breaking 23,5

h = 10,9; X = 341,4 10,3 21,0

h = 10,4; X = 325,8 9,6 10,2 19,4

h = 9,9; X = 310,1 9,3 9,7 17,5

h = 9,7; X = 303,1 8,9 9,3 17,0

h = 9,4; X = 294,5 8,7 9,2 16,8

2,0 h = 11,4; X = 357, 1 0,036 10,8 Обрушение Breaking 23,0

h = 10,9; X = 341,4 10,2 10,9 20,4

h = 10,4; X = 325,8 9,6 10,3 19,1

h = 9,9; X = 310,1 9,3 9,6 17,5

h = 9,7; X = 303,1 9,0 9,4 16,9

h = 9,4; X = 294,5 8,6 9,2 16,8

ГЧ ГЧ

ГЧ ГЧ

о о

гч гч

И Ф О 3

> (Л

с я 2 ~ CÛ N

ij

т s •

Ф О)

О -С

О о

со >

5 =

s?

2 . о

со о

со Е

— -i-j

^ (Л

!= §

ÔL °

^ С

ю о

S3 !

° §

О ^

т- ^

Z £

6 5 со о

¡1 со

M

ÊJS

О (Я ф ф

ta >

Окончание Табл. 1 /End of the Table 1

Степень сжатия плановых размеров Compression ratio of horizontal dimensions

Исходные параметры

волнения, см Initial wave parameters, cm

Уклон подводного

рельефа Underwater slope

Высота волны на глубине 28,6 см Wave height (cm) at the depth of 28.6 cm

Высота волны на глубине 21,4 см Wave height (cm) at the depth of 21.4 cm

Глубина первого обрушения, см Depth of the first breaking, m

Данные численного моделирования, приведенные к масштабу физических опытов Data on numerical modeling in the scale of the physical experiments

Без искажения No compression Без преобразования No changes (h = 11,4; X = 357, 1) 0,018 9,2 9,2 21,4

1,33 h = 11,4; X = 357, 1 0,024 9,9 10,0 21,8

h = 10,7; X = 334,4 9,2 9,3 19,1

1,67 h = 11,4; X = 357, 1 0,030 10,9 Обрушение Breaking 24,7

h = 9,7; X = 303,1 9,1 9,4 17,3

2,0 h = 11,4; X = 357, 1 0,036 10,9 Обрушение Breaking 24,3

h = 9,7; X = 303,1 9,1 9,4 17,0

Табл. 2. Сопоставление данных физического и численного моделирования дифракции волн в искажаемом входном створе

Table 2. Compared data on the physical and numerical modeling of the wave diffraction in the distorted entrance gate

Степень сжатия плановых размеров Compression ratio of horizontal dimensions Исходные параметры волнения, см Initial wave parameters, cm Ширина входного створа, м Entrance gate width, m Высота волн в контрольной точке, см Wave height at the control point, cm

a b c 3 2 1

Данные физического моделирования / Data on physical modeling

Без искажения No compression Без преобразования No changes (h = 6,2; X = 192,3) 4,62 6,0 5,3 5,2 3,9 2,1 1,4

1,25 h = 6,2; X = 192,3 3,69 5,8 5,2 5,1 4,0 2,2 1,6

h = 6,5; X = 202,5 6,1 5,5 5,3 4,2 2,3 1,9

h = 5,8; X = 180,8 5,5 5,0 4,8 3,8 2,1 1,5

h = 5,0; X = 153,8 4,7 4,3 4,2 3,2 1,8 1,2

Данные численного моделирования, приведенные к масштабу физических опытов Data on numerical modeling in the scale of physical experiments

Без искажения No compression Без преобразования No changes (h = 6,2; X = 192,3) 4,62 5,8 5,3 5,2 3,9 1,9 1,3

1,25 h = 6,2; X = 192,3 3,69 5,7 5,1 5,0 3,9 2,0 1,4

h = 6,5; X = 202,5 6,0 5,4 5,2 4,1 2,1 1,6

h = 5,8; X = 180,8 5,4 4,9 4,7 3,6 1,9 1,3

h = 5,0; X = 153,8 4,6 4,2 4,1 3,1 1,6 1,0

< П

8 8 i H

kK

G Г

S 2

0 CO § CO

1 s

У 1

J to

u-

^ I

n °

S> 3 o

zs ( o?

о §

ся

u s § 2

n 0

s 66

r 6 t (

SS )

ii

® 7 i

. DO

■ T

(Л У

с о <D *

10 10 О О 10 10 10 10

Рис. 6. Режим волнения в контрольных точках на физической модели при искажении масштаба и преобразовании параметров исходного волнения: h — высота исходных волн; X — длина исходных волн

Fig. 6. The wave mode at the control points of a physical model subjected to the scale distortion and changes in initial wave parameters: h — initial wave height; X — length of initial waves

N N N N О О N N

¡г ш

U 3

> (Л

с и со N

1

о ё

о

о о со <

8 « Si §

(Л "

от IE

Е О

CL о

^ с

ю о

S «

о Е

СП ^ т- ^

<л

(Л

О (О №

Основная сложность воссоздания идеальных дифракционных процессов в экспериментах заключается в наличии многократных отражений волн от стенок волнового бассейна. Дифракционные схемы очень чувствительны к отражению волн от внутренних граней огражденной акватории, поэтому требуется уделять должное внимание повышению волногасящей способности всех отражающих поверхностей. Взаимодействие разнонаправленных волн с большим количеством незащищенных отражающих поверхностей приводит к образованию стоячих волн и разбиению волнения на разнообразные сонаправленные фазы, в результате чего средняя длина волн в огражденной акватории может становиться значительно меньше длины волн в исходном шторме.

оТ ф ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

Преобразование параметров исходного волнения при физическом моделировании трансформации волн с искажением масштаба в полной мере не решает проблему возникающих погрешностей. Такой подход позволяет уменьшить погрешности в значениях высот волн в контрольных точках и даже добиться полного их соответствия, но при этом увеличивается смещение линии обрушений, что может быть критично в рамках решаемых на практике научных задач. Изменение уклона подводного рельефа в результате искажения масштаба существенно сказывается на режиме волнения, и скомпенсировать этот эффект нужным образом в экспериментах может быть достаточно трудно или невозможно.

Процесс дифракции более чувствителен к степени искажения масштаба, чем процесс трансформации. Преобразование параметров исходного волнения в данном случае не имеет существенно полезного эффекта.

Погрешности, возникающие при искажении масштаба дифракционной схемы, разнонаправленны, т.е. при сжатии плановых размеров огражденной акватории высота волн в створе свободного просвета может уменьшаться, а в зоне волновой тени увеличиваться. В таких условиях увеличение параметров исходных волн еще больше усложняет дифракционную картину, так как в результате увеличивается степень искажения плановых размеров по отношению к вертикальной высоте волны.

Уменьшение параметров исходных волн в свою очередь ведет к классическому геометрическому подобию, когда параметры волн будут уменьшены в той же степени, в которой уменьшены и плановые размеры относительно вертикального масштаба. Таким образом, если модель слишком велика для волнового бассейна, то все сводится к уменьшению модели целиком по всем координатным осям.

По данным экспериментальных исследований видно, что искажение масштаба вносит изменения в режим волнения, которые могут не поддаваться простому контролю и корректировке. Интерпретация получаемых на модели данных усложняется различием погрешностей для разных расчетных точек. Эти обстоятельства необходимо учитывать в научной практике при разработке искаженных гидравлических моделей.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Рогачко С.И., Шунько Н.В. Научное сопровождение проектирования берегозащитных сооруже-

ний // Вестник МГСУ 2016. № 12. С. 103-113. DOI: 10.22227/1997-0935.2016.12.103-113

2. Frostick L.E., McLelland S.J., Mercer T.G. Users guide to physical modelling and experimentation. London : Taylor & Francis Group, 2011. DOI: 10.1201/ b11335

3. Пиляев С.И., Губина Н.А. Воздействие морских волн на подводные рыбоводные садки // Вестник МГСУ 2014. № 2. С. 171-178. DOI: 10.22227/1997-0935.2014.2.171-178

4. Макаров К.Н. Морские гидротехнические сооружения : учебное пособие. Сочи : СГУ, 2018. 269 с.

5. Шарп Д.Д. Гидравлическое моделирование / пер. с англ. М. : Мир, 1984. 280 с.

6. Михалев М.А. Физическое моделирование гидравлических явлений. СПб. : Изд-во Политехн. университета, 2010. 443 с.

7. Маневич Я.З. О гидравлическом моделировании с искажением масштабов моделей // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 1977. Т. 115. С. 67-72.

8. Назарян А.Г. Об искажении масштабов при моделировании // Гидротехническое строительство. 1963. № 6. С. 44.

9. Офицеров А.С. Искаженные модели и результаты волновых исследований на них // Труды гидравлической лаборатории № 6 ВНИИ Водгео. М. : Госстройиздат, 1956. 187 с.

10. Шелушинин Ю.А., Макаров К.Н. Проблемы и перспективы гидравлического моделирования волновых процессов в искаженных масштабах // Строительство: наука и образование. 2019. Т. 9. № 2 (32). С. 4. DOI: 10.22227/2305-5502.2019.2.4

11. Шелушинин Ю.А., Макаров К.Н. Подобие режима волнения в натуре при искажении масштабов гидравлической модели // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2020. № 5-6 (256-257). С. 29-35.

12. Кантаржи И.Г., Акулинин А.Н. Физическое моделирование воздействия волн цунами на бере-

говые сооружения // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2017. Т. 10. № 3. С. 78-90. DOI: 10.7868/S2073667317030078

13. Кантаржи И.Г., Мордвинцев К.П. Численное и физическое моделирование в МГСУ морских портовых гидротехнических сооружений // Наука и Безопасность. 2015. № 2 (15). С. 2-16.

14. Li X., Erpicum S., Bruwier M., Mignot E., Finaud-Guyot P., Archambeau P. et al. Laboratory modelling of urban flooding: Strengths and challenges of distorted scale models // Hydrology and Earth System Sciences. 2019. Vol. 23. Issue 3. Pp. 1567-1580. DOI: 10.5194/hess-2018-484

15. Guney M.S., Tayfur G., Bombar G., Elci S. Distorted physical model to study sudden partial dam break flows in an urban area // Journal of Hydraulic Engineering. 2014. Vol. 140. Issue 11. P. 05014006. DOI: 10.1061/(ASCE)HY. 1943-7900.0000926

16. Zheng Z., Ma X., Wu H., Dong Y., Dong G. The effect of distorted scale ratio on harbor resonance with constant water depth // APAC 2019. 2020. Pp. 1263-1270. DOI: 10.1007/978-981-15-0291-0_172

17. Fang H., He G., Liu J., Chen M. 3D Numerical investigation of distorted scale in hydraulic physical model experiments // Journal of Coastal Research. 2008. Pp. 41-54. DOI: 10.2112/1551-5036-52.sp1.41

18. Масс Е.И., Мальцев В.П., Шахин В.М. Рекомендации по гидравлическому моделированию волнения и его воздействий на песчаные побережья морей и водохранилищ. М. : ЦНИИС, 1987. 96 с.

19. Вайсфельд И.А. Выбор масштаба и масштабные поправки при моделировании акваторий портов // Волновые исследования гидротехнических сооружений. М. : ВНИИ Водгео, 1961. С. 135-162.

20. Лаппо Д.Д., Стрекалов С.С., Завьялов В.К. Нагрузки и воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения. Л. : ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1990. 427 с.

< п

IH

kK

G Г

S 2

0 со § СО

1 S

y 1

J со

u-

^ I

n °

S 3 o

=s (

oi

о §

Поступила в редакцию 28 октября 2021 г. Принята в доработанном виде 8 ноября 2021 г. Одобрена для публикации 29 декабря 2021 г.

Об авторе: Юрий Александрович Шелушинин — аспирант кафедры строительства; Сочинский государственный университет (СГУ); старший инженер лаборатории защиты берегов; 354000 г. Сочи, ул. Пластунская, д. 94; Научно-исследовательский центр «Морские берега» — филиал Научно-исследовательского института транспортного строительства (НИЦ «Морские берега» — филиал НИИТС); 354002, г. Сочи, ул. Яна Фабрициуса, д. 1; РИНЦ ID: 1125766, ORCID: 0000-0003-2007-5117; 9117875@mail.ru, 8-988-150-21-66

REFERENCES

1. Rogachko S.I., Shun'ko N.V. Scientific monitoring of bank protection structures designing. Vest-nik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2016; 12:103-113. DOI: 10.22227/1997-0935.2016.12.103-113 (rus).

2. Frostick L.E., McLelland S.J., Mercer T.G. Users Guide to Physical Modelling and Experimentation.

London, Taylor & Francis Group, 2011. DOI: 10.1201/ b11335.

3. Pilyaev S.I., Gubina N.A. Impact of sea waves on underwater fish-breeding cages. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014; 2:171-178. DOI: 10.22227/19970935.2014.2.171-178 (rus.).

E w § 2

n g

S б

A CD

Г 6 t ( an

SS )

[Ï

® 7 л ■ . DO

■ T

s □

s У с о <D *

10 10 о о 10 10 10 10

tv N

N N

o o

N N

H o

U 3

> in

E M

to I»

i - £

<D <u

O ä

o

o o co <

8« Si §

co "

co E

E o

CL ° c

Ln O

s H

o E

CD ^

t- ^

4. Makarov K.N. Marine hydrotechnical structures. Sochi, SSU, 2018; 269. (rus.).

5. Sharp J.J. Hydraulic modelling. Moscow, Mir, 1984; 280. (rus.).

6. Mihalev M.A. Physical modelling of hydraulic processes. St. Petersburg, Politechnic University Publ., 2010; 443. (rus.).

7. Manevich Ya.Z. About hydraulic modelling with a distorted scale of model. Izvestia VNIIG named after B.E. Vedeneev. 1977; 115:67-72. (rus.).

8. Nazaryan A.G. About scale distortion in modeling. Hydraulic Engineering. 1963; 6:44. (rus.).

9. Oficerov A.S. Distorted models and results of wave exploring on them. Moscow, VNII Vodgeo Publ., 1956; 187. (rus.).

10. Shelushinin Y.A., Makarov K.N. Problems and prospects for hydraulic modeling of wave processes in the distorted scales. Construction: Science and Education. 2019; 9(2):(32):4. DOI: 10.22227/23055502.2019.2.4 (rus.).

11. Shelushenin Yu.A., Makarov K.N. Similarity of the mode with the distortion of the scale of the hydraulic model. Building materials, equipment, technologies of XXI century. 2020; 5-6(256-257):29-35. (rus.).

12. Kantardgi I.G., Akulinin A.N. Physical modeling of tsunami waves impact on shore structures. Fundamental and AppliedHydrophysics. 2017; 10(3):78-90. DOI: 10.7868/S2073667317030078 (rus.).

13. Kantardgi I.G. Mordvincev K.P. Numerical and physical modeling of the sea port structures in Moscow

Received October 28, 2021.

Adopted in revised form on November 8, 2021.

Approved for publication on December 29, 2021.

Bionotes: Yuriy A. Shelushinin — postgraduate student of the Department of construction; Sochi State University (SSU); 94 Plastunskaya st., Sochi, 354000, Russian Federation; senior engineer; Research Center "Sea Coast" — a branch of the Research Institute of Transport Construction; 1 Yana Fabricius st., Sochi, 354002, Russian Federation; ID RISC: 1125766, ORCID: 0000-0003-2007-5117; 9117875@mail.ru.

State University of Civil Engineering. Science and Safety. 2015; 2(15):2-16. (rus.).

14. Li X., Erpicum S., Bruwier M., Mignot E., Fin-aud-Guyot P., Archambeau P. et al. Laboratory modelling of urban flooding: Strengths and challenges of distorted scale models. Hydrology and Earth System Sciences. 2019; 23(3):1567-1580. DOI: 10.5194/hess-2018-484

15. Guney M.S., Tayfur G., Bombar G., Elci S. Distorted physical model to study sudden partial dam break flows in an urban area. Journal of Hydraulic Engineering. 2014; 140(11):05014006. DOI: 10.1061/ (ASCE)HY.1943-7900.0000926

16. Zheng Z., Ma X., Wu H., Dong Y., Dong G. The effect of distorted scale ratio on harbor resonance with constant water depth. APAC 2019. 2020; 12631270. DOI: 10.1007/978-981-15-0291-0_172

17. Fang H., He G., Liu J., Chen M. 3D Numerical investigation of distorted scale in hydraulic physical model experiments. Journal of Coastal Research. 2008; 41-54. DOI: 10.2112/1551-5036-52.sp1.41

18. Mass E.I., Malcev V.P., Shahin V.M. Recommendations for hydraulic modelling of waves and their impact on sandy coast of seas and reservoir. Moscow, TsNIIS, 1987; 96. (rus.).

19. Vaisfeld I.A. Scale selection and scale corrections in modeling of port areas. Moscow, VNII Vodgeo Publ., 1961; 135-162. (rus.).

20. Lappo D.D., Strekalov S.S., Zav'yalov V.K. Loads and Impacts of Wind Waves on Hydraulic Structures. St. Petersburg, VNIIG Publ., 1990; 427. (rus.).

co

CO

■s

ES

o in