автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Моделирование и гидравлические методы расчета сквозных берегозащитных сооружений

; госстрои рсфср

i всесоюзный

..^комплексный научно-исслешвательскии и конструкторско-~~технологическии институт водоснабжения. канализации. гидротехнических соору^нии и инженерной гиерогеологии ( внии вопгео )

Н.I ПР'10«< п^иписн УДК ..............

ПЕНЧЕП ВАЛЕРИ СТОЯНОВ

мооеаирование и гидравлические метопы расчета сквозных берегозащитных соорушнии

(05.25.16 - гшЮоБлика и ин^рме-пн^ч ггисЧю/югия)

автореферат

диссертации на гсюскание ученой стрпрни

канЭигИпт технически* науь

По^Сю 1Я92

Работа Выполнена & Институте íuUpo- и аэродинамики (БИГС> Болгарской академии наук.

Научный руководите/к. : кандидат технических наук, старший научный сотрудник И.Г.КАНТАГШ

Официальные оппоненты: доктор технических наук В.С.ШАЙТАН

(ВНИИ ВОДГЕО) кандидат технических наук Н.К.ШУБИН (МИКХиС)

Ведущая организация : Черноморское отделение морских берегозащитных сооружений ЦНИИС

Зашита диссертации состоится "j " t-.Uí'/^T^'. . . 1992 года В /£,£<$ часой на заседании специализированного совета К 033.05.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук Во Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени комплексном научно - исследовательском и конспрукторско - технологическом институте Водоснабжения, канализации. гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (ВНИИ В0ПГЕ0) Госстроя РСФСР.

Адрес: 119826. МоскВа. Г - 48. Комсомольский проспект. 42

С диссертацией можно ознакомиться В библиотеке ВНИИ В0ПГЕ0. Автореферат разослан "/i". 1992 года.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук :

(И.П.Випенбеог>

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последние гоЗы б развита* морских странах активно работают над созданием и внедрением 6 практику нобых конагруктивных типоб скбозных или частично-проницаемых инженерных сооружений - оградительные сооружения из перфорированных стенок, кессоны с Ьолногасящими камерами и др.. которые имеют существенные преимущества перед тяжелыми и дорогими гравитационными сооружениями, а именно:

высокая эффективность (высокий коэффициент болногаиения. низкий коэффициент отражения; уменьшение максимальной волновой нагрузки; равномерное распределение нагрузки во времени и в пространстве; увеличение общей устойчивости; уменьшение отражения в замкнутых акваториях);

- экономия расхода материалов (ажурность конструкции, более низкий проекгтый уровень гребня, нет необходимости б защитной наброске искусственных массивов);

- возможности удовлетворения экологическим требованиям к береговым сооружениям (боЗообмен и предотвращение загрязнения акваторий. минимальное вмешательство в природное равновесие береговой зоны).

Пополнительные Факторы, обуславливающие разбитие сквозных 5ерегоза1Ш(тиых сооружений: разбитие строительных технологий, юзволяющих создать сквозные сооружения сложной геометрии; быстрое эаэвитие методов математического моделирования и возможности их чепосреЗственного применения в процессах исследования и ^оектирования сооружений сложной геометрии.

В общем случае математическое описание взаимодействия чорского волнения со сквозными берегозащитными сооружениями :вос!ится к решению задачи движения нестационарного потока со :вободной поверхностью в неоднородной области со сложными границами. Из-за сложности процесса взаимодействия. включающего 1ножестбо независимых параметров, полное решение этой задачи пока че получено.

Нормативный документ, регламентирующий расчет обтекаемых элементов и сквозных сооружений - СНиП 2.06.04-82 - охватывает Ь основном расчет волновой нагрузки и изменения уровня поверхности юлько для обтекаемых элементов заданной геометрии, в зависимости зт параметров волнения и глубины. Нагрузки на сквозные сооружения, ;осшвле?нные из обтекаемых элементов определяются путем гуммирования нагрузок на отдельные элементы, умноженных на цоэФФиииентн сближения элементов по фронту и по лучу волнения. При

эгтюм максимальная нагрузка определяется путем последовательных приближений. Такой подход является недостаточным для расчет) сквозных берегозащитных сооружений. Зля которых важны эффекты отражения и гашения волновой энергии.

Основной подход при исследовании ск&озных берегозащитных сооружений - метод гидравлического моделирования. В то же бремя исслеЗователи работают наЗ созданием упрощенных математических моЗелей. удовлетворяющих условием конкрепных сл.учаей сравнительно элементарной геометрии.

Следует опметить. что экспериментальные исследования. и б частноспи гидравлические мпЗельн..»е исследования являются сложны;-! и деликаггмьм процессом, требующий современного экспериментального оборудования и значительного экспериментального опыли. Моделирование ск&озных сооружений сопровождаемся ряЗом трудностей и нерешенных проблема*. коггюрые нуждаюпх:я Ь дальнейших исслеЗобаний: воспроизводимость случайных процессов (каким является морское болнение) б определенных лабораторных условиях, оценка масшгабних эффектов, несоблюдение граничных условий и начального состояния системы и £>р, Сказанное позволяет заключили, что создание надежных экспериментальных методов. как и расчелных алгоритмов Зля исследования скбоэных берегозащитны* сооружений являе.тся актуальной научной проблемой.

Цель и з а 3 л ч и и с с л е д о в а н и я. Основной целью настоящего исследования является разработка теорепико-экспериментальных меподов Зля определения основных характеристик взаимодействия морского волнения со сквозными берегоэашипними сооружениями в промежуточной и мелководной зоне:. Проблема охватывает опрепелениг основных кинематических характеристик волнового потока (скороспь, изменение поверхности воды), а также параметры внешней волновой нагрузки (обиие волновые силы и моменгги). не охваливая динамический анализ сооружений.

В работе решаюпх:я следующие основные задачи:

- разработка меподов количественной оценки масштабных эффектов и критериев для обеспечения авт >модельности ппи гидравлическом моделировании взаимодействия морского волнения со сквозными сооружениями;

- разработка экспериментальных методов и специфического экспериментального оборудования Зля npedomhpaiueHi|я влияния краевые модельных эффектов:

- разработка математической модели взаимодействия регулярных мелководных волн со сквозными берегозащитными сооружениями, составленными иэ одной или более проницаемых преград; разработка

алгоритма и Вычислительной программы для опребеления параметров взаимодействия:

- осуществление серии методических экспериментальных исследований и систематизирование зксперименгальных результатов с целью совериенствования экспериментального побхода и верификация математической модели;

- Формулирование рекомендаций для практического применения полученных решений в области экспериментальных исследований и проектирования берегозащитных сооружений.

Н а у ч н <ч я новизна. Разработана и экспериментально подтверждена смстемз кпитерцев для оценки автпмодельност] и влияния масштабных эффектов при гидравлическом моделировании сквозных берегозащитных сооружении. Разработан оригинальной тип волчопрэдуктопа с волчогася'цей контактной' границей для генерирования регулярны-' и норс^у/юг"-»*!« волн . Вплнопродуктор с5еспг-чо5ч^"1 ?.31«?чи<? г>:ра<гс-ми«х от мсбе/ш волн. На основе линейной теории длинны* волн и с учешем разности счпрпсггю перед и за глвт_.и;-,Г1 О'т.нг'ис'пн-э маггу-'г-'з^чческая моЗс/ъ взлимедейевич

во,14 ГМ "I1 I Г'Г г 0лд:;,'Г.1, 1 ;ОЗбг ! соолвг ПГ.-.ЛУМ-.:!.

ллгоии г::1ы и " л-г:! / л . " • ■ для : : ; г.луных ::

Г1 Р_ к. п й__ч_1'. |_я_ _ ц_('_н_н _р а_б о ты Применение

[" : .¡бог-. м. .Гц 1Л1 'в ! . 1 :Г ! ЛТ )в'.1ПЬ ц Рг ЩЦПн ¡Л' .но

проикми;..! .вш.ь КОНГПр>ьции Гк1\п !Н| и бе[-ег>рт)"'.иг;тммх гг пру,» ециО . Представленные ткгпериментальные методики применимы при осуществлении гидравлических модельных исследований. Разработанные вычислительные программы позволяет -'и'^ . ., опплжецце, прохождение и гашение во/1н, а также волновую нагрузку.

Р е (I л и з .-1 и и я_р е з у ,-1 ь т а т о в р а боты.

Разработанные экспериментальные и вычислительные методы внедрены в деятельности Гидротехнической лаборатории Институт гидро- и аэродинамики Болгарской академии наук. Они применены при выполнении ряда исслебовательских и проектных работ: Модельные исследования берегозатитных сооружений возле г. Коварна, Модельные исследования новых конструкций сооружений для берегпзащипъ!, Расчет волнолома из перфорированных кессонов пор™ г. Яалян и др.

Апробация работ ы. Основные результаты работы докладывались на: симпозиуме МАГИ по маситабным эффектам (Торонто, Канада.1486); международной конференции "Прогрессивные технологии в трангпортном строительстве" (Парна 1187г.); 17-ой сессии научно-методологического семинара по гидро-- и аэродинамике (Варна. 1ЧЯ8 ^ I. четвертом и пятом конгрессах морской ассоциации стран восточного Средиземноморья - ТИАЕМ ( Варна. 1987г. и Афины, Греция.

-б-

1990?.); международном симпозиуме HADMAR'91 (Варна. 1991а.). а также на секциях НТС и семинарах БИГС.

Пп темя диссертации опубликовано восемь работ.

Обь ем работы. Диссертация состоит из введения. пяти глав, выводов по работе, списка литературы: общий объем Зиссертации 167 страниц, 6 том числе 113 страниц текста.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматриваются основные Факторы, обуславливающие актуальность проблемы и необхоЗимость ее исслеЭобания. На основе анализа Физики процесса взаимодействия гравитационных волн со сквозными преградами сформулирована основная заЗача. включая начальные параметры и определяемые величины, характеризующие процесс бзаимоОействия волн с условной сквозной. преградой. Начальными параметрами являются (рис.1.):

- гиЗраблические: глубина воЗы - h, периоЗ - Т и высота - Н волн, уклон Зна - i. шероховатость Эна-ls. кинематическая вязкость

- V. поверхностное натяжение - As;

- геометрические параметры сооружения: характерный размер отверстий - R (или размер обтекаемых элементов - D). проницаемость (площадь отверстий на единицу площади) - Sr. толщина преграЭы

- е. Форма отверстий - к®, способ оформления грани отверстий - к», шероховатость элементов - Id.

Определяемыми величинами являются:

- кинематические: изменение уровня воды перед и за прегпадой-rb(x.t), компоненты орбитальных скоростей - u(x.z.t) и w(x.z.t);

- динамические: компоненты суммарной волновой нагрузки- F*(t) и Fi(t). изгибающий момент в основании конструкции - !4>-(t). орЗината приложения волновой нагрузки - Zp(t).

В первой главе сЗелан обзор публикаций.рассматривающих разные аспекты экспериментального и теоретического поЗхоЗа к исслеЗованиям сквозных берегозащитных сооружений. Рассмотрены результаты экспериментальных работ А.С.Ошииерова. И.А.ВайсФельЗа. Д.П.Лаппо. Г.Келегана-Л.Карпентера. Б.Ле Меоте. Х.КонЗо, Р.ХаЗсана и Зр. При анализе этих работ особое внимание уделено проблемам исследования мзсшпабных эффектов при гидравлическом моделировании взаимодействия волн со сквозными берегозащитными сооружениями. Теоретические рабопы рассмотрены с акцентом на возможность их практического применения. Обсуждены полуэмпирические решения. содержащиеся в работах Х.Лундгренэ. Пж.Вигеля, В.Хартмана: линейные модели Ф.Урселя. Пж.Вигеля (на основе теории прошедшей мощности). У.Макаскиля (на основе теории волн малой амплитуды). С.Чакрабарти.

о сх и

S ~~ ra

г о з

* с m

OP П X

~ ü i

fü QJ. П

ч »

CD Г С О

Тез О) О) m аза

о

а> о

(i

X X

г т.

а; ш я

5 _

I

□□□□□□

□□□□□о □□□□□□

□□□□□□ □□□□□□ □□□□□□ □□□□□□ □□□□□□ □□□□□□ □□□□□□

~ da

□ □ □ □ □ □ □ □

□ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □

í

-й-

С.Масселя (на основе дифракционной теории). Х.Кондо, В.М.Шахина (на основе теории длинных болн); нелинейные численные модели К.Мей - Г.Блекка (теория болн конечное! амплитуды); В.Шахина. И. Алешкова (теория блинных болн); Н.Аббота. П.Мадсена (решение нелинейного уравнения Бусинеска).

В результате анализа известных работ определены оснобные направления, которые требуют дальнейших исследований и которые являются основными задачами диссертационной работы;

- экспериментальное исследобание масштабных эффектов (условий автомодельности) и краебых эффектов при Физическом моделировании сквозных берегозащитных сооружений;

- разработка доступных- для реализации и применения б практике расчетных моделей на оснобе теоретических решений для скбозных сооружений типа одностенной и многостенной преграды;

экспериментальная проверка разработанных теоретических решений и уточнение области их применения;

- собершенстбование метода совместного применения гидравлической и математической моделей (гибридное моделирование) при исследовании и расчета скбозных сооружений.

Вторая глава работы посвящена экспериментальным исследованиям взаимодействуя волнения со сквозными берегозащитными сооружениями. Разработка и совершенствование экспериментальных методов моделиробания осуществлены на основе дйухэтапного

экспериментального исследования. Первый этап включает проведение ряда методологических экспериментов для исследования масштабных эффектов, краевых эффектов, отработки технологии экспериментального моделирования. Второй этап включает экспериментальное определение гидравлически* параметров и компонент нагрузки от волнения на некоторые основные типы сквозных берегозащитных сооружений.

Представлено детальное описание методики моделирования (вывод основных безразмерных параметров, критерии подобия и т.д). экспериментального оборудования, системы сбора и обработки данных, (оис.2). Автоматизированная система сбора .и обработки данных вк/иочает систему специализированной измеритель.ной аппаоптуоы, регистрирующую систему и соответствующее программное обеспечение для обработки данных. Система разработана б соответствии со специфическими требованиями к экспериментальному определению основных параметров процесса взаимодействия волн с берегозащитными сооружениями. Основными характеристиками этой системы являются :

- многоканальное синхронное измерение уровня поверхности водны б области сооружения, что позволяет определять коэффициенты прохождения, отражения волн и коэффициент гашения волновой энергии;

- измерение компонентов суммарной болнобой нагрузки при

1.BoAHoboû лоток

2.BoAHonpogykmop

3. Волногаситель í».Mog9Ab сооружения

5. Датиики ujwewewuB Ьоднои поверхности

6.Шестко^лпонеитныи динамоАлет^р

датчики изменения Еюдной поверхности

жесткомпоиентяый динамометр

duc. 2 Схема экспериментальной устанобки и аЬгтомапизиройанной систему с^оз и обргбсетки банных.

помощи шестикомпоненгшого динамометра. позволяющее определить горизонтальный и берпикальный компоненты волновой силы, изгибающий момент;

- Возможности генерирования регулярных и нерегулярных Волн, регистрация и спектральная обработка нерегулярных сигналов:

- Возможности синхронной регистрации 10 каналов с высокой частотой сканирования, до 2,5кГц. для определения пикоВых и ударных нагрузок;

- практически полная автоматизация эксперимента. Включающая определение калибровочных коэффициентов датчиков, регистрацию экспериментальных данных, контроль эксперимента, обработку данных.

Аля оценки влияния краевых (граничных и модельных) эффектов реализована экспериментальная программа с основной целью -выделение и количественная оценка Влияния отдельных Факторов искажения экспериментальных результатов. Основные, задачи этого исследования заключаются в оценках устойчивости и статистических параметров волнового режима и эффектов,обусловленных искусственными границами модели. Пля решения этих задач осуществлены следующие экспериментальные работы:

- анализ параметров генерированного волнения путем статистической обработки временных рядоВ изменения уроВня поверхности Воды при разных исходных условиях:

- оценка Влияния отраженных волн;

- оценка Влияния низкочастотных колебаний:

- оценка влияния поперечных Волн:

- оценка погрешности измерений.

Эксперименты для оценки влияния искусственного ограничения модели проведены В диапазоне изменения исходных параметров: 0.133 < < 0.60 м; 0,01 < Но < 0.20 м: 0.5 < Т < 2.25с. при уклоне дна 1 = 0 и 1 = 0.025. в условиях свободной модели (без сооружений) и при наличии исследуемого сквозного сооружения. Результаты представлены б Виде практических рекомендаций по уменьшению краевых эффектов.

Пля оценки маситабных эффектов осуществлена специализированная экспериментальная программа. Основная цель этой программы - вывод критериев Выбора геометрического масштаба моделирования с учетом маситабных эффектов, а также вывод экспериментальных зависимостей для количественной оценки масштабных эффектов В тех случаях, когда осуществление моделирования в достаточно крупном масштабе невозможно. Экспериментальная программа охватывает при основных типа сквозных преград, которые б практике можно применять как отдельные конструкции или как составные элеменпъ при конструировании берегозащитных сооружений более сложной геометрии, (рис.1.).

Зкспериментальное исследование осуществлено как масштабная серия при 4 различных масштабах, что позволяет охВатипъ широкий диапазон изменения основных Величин В процессе эксперимента (параметров Волнения, глубин Воды, геометрических размеров моделей и т.д.) а также изменения различных модификаций числа РеОнольдса. Экскперименпи. которые включали измерения характеристик волнового потока в области сооружений и горизонтальной компоненты динамической нагрузки, осуществлены с учетом Всех соображений с целью ослабления краевых эффектов. Геометрические масштабы выбраны с учетом параметров лабораторного оборудования. Масштабы можно считать соответствующими гидродинамическим условиям Болгарского Черноморского побережья. Основные характеристики масштабной серии представлены в табл.1.

Табл. 1. Характеристики масштабной серии.

Масштаб Глубина воды Диапазон параметров Волнения

h См] H См] Т Сс] L См]

Условный прототип 8.000 0.500-3.000 4.54-7.52 30,0-G0.0

1 : 15 0.533 0.042-0,165 1.17-1,93 2,00-4.00

1 : 20 0.400 0.030-0.150 1,01-1.67 1.50-3.00

1 : 30 0.267 0.033-0.090 0.83-1.38 1,00-2.00

1 : 60 0. 133 0.009-0.050 0.58-0.96 0.50-1.00

В каждой из масштабных серий эксперименты выполнены при помощи 16 волновых режимов с различными параметрами, что позволяет установить зависимости исследованных параметров от параметров волнения. В качестве основного показателя сравнения результатов и оценки влияния мзсшпабных эффектов при определении кинематических характеристик принят коэффициент прохождения волн, СТ. Основанием этого выбора является факт, что за сооружением амплитуда колебаний, как и волновые скорости (а значит и числа Рейнольдса) значительно меньше, что приводит к опасности проявления масштабных эффектов. В качестве показателя сравнения результатов и оценки масштабных эффектов при моделировании Волновой нагрузки принята горизонтальная компонента суммарной волновой нагрузки. Рх.

В настоящей работе принято, что процесс взаимодействия надо рассматривать как составной, В котором Входят отдельные процессы: распространение поверхностных Волн; обтекание элементов преграды; трение В пограничном слое, каждый из которых надо оценивать самостоятельно. При этом критерии автомодельности определены следующим образом:

Оценка общей турбулентности волнового потока:

(?п,= > яп, (1 )

где и - средняя по глубине максимальная горизонтальная орбитальная скороспгь. В этом Виде число РейнольЭса предложено Впервые Р.Мишем.

Оценка обтекания элементов конструкции:

- Зля перфорированной стенки,

Япг= Ц^г > р?П2.ог. (2)

гЗе 0 - характерный (минимальный) размер обтекаемых элементов, Э« -проницаемость конструкции;

- Зля ряба цилиндров.

Пг, _ йР(1-В) . _ ,,,

КПз= --- > КПз.сг- (3)

где В - коэффициент расстанобки цилинЗров (проницаемость); - Зля погруженной стенки.

Цр- > ЯПА.ОГ- (4)

еЗе и« - максимальная горизонтальная орбитальная скорость, с! -затопление стенки.

Оценка пограничного слоя элементов:

&?П5= > РПв.сг- (5)

где 1о- шероховатоспь элементов:

Оценка Зонного пограничного слоя:

> Кп«.сг. . (6)

еде Ыо - Зонная орбитальная скорость.где шероховатость Зна.

Число РейнольЭса Рпи предложено в виде (6) М.Ялином. Параметр Япн выведен аналогичным путем. В настоящей работе приняты , критические значения №"н. и Рпв. предложенные

упомянутыми выше авторами, именно: = 5.3.10". Ипз.сг- = 10г.

Кпя.<=г- = 10г. Основной целью настоящих экспериментов является определение критических значений Инг. Рпз и Рп«. Эля которых нет известных опубликованных значений. Лля решения этой заЭачи по результатам экспериментов исследованы Функции:

СТ/СТ°= НЯП;,)

Рх/Рх°= НРп.,)

где СТ и Рх определены экспериментальным путем, а СТ° и Рх° являются базовыми (действительными) значениями, определяемыми на осноВе результатов В самом крупном масштабе и сравнением с известными натурными или опубликованными данными. Критическое значение Рпл определено как значение, при котором ПИпл) из ур. (3)-(5) стремится к единице и с увеличением не меняется

существенно. Данные экспериментов подвержены статистической обработке, включающей определение аппроксимирующих эмпирических уравнений по методу регрессионного анализа. Результаты экспериментального исследования представлены в графическом виде, при этом на осноВе статистической обработки определены критические значения Рп2. Ипз и Рп» (см. табл.2.) для разных типов конструкций и при разных типах экспериментов. Выведены эмпирические формулы. аппроксимирующие экспериментальные результаты.

Табл.2. Критические значения чисел Рейнольдса

соорнжиие задача перхорированная сшка й1г=чен)/у рад цилиндров Йгнли-ВЗА' гпгийенная стенка йъ^ииЗЛ'

Исследование ксаррЕ-шагт прохождения 2.0x103 2,6x1О3 2,5x10*

Исследование нагрузки 2,5x103 4.0х10э

Представленные в табл.2 критические значения чисел Рейнольдса следует применять совместно с вышеуказанными критическими значениями для оценки общей турбулентности, шероховатости дна и шероховатости конструкции. На рис.3 представлен пример обобщенного использования полученных экспериментальных результатов исследования масштабных и краевых эффектов как и технологических условий эксперимента для случая исследования коэффициента прохождения волн через перфорированную стенку. Рабочий диапазон В этом случае ограничен из-за максимальной глубины воды В лотке. Возможностей волнопродуктора воспроизвести устойчивые волны, масштабных эффектов. краевых эффектов. Расчеты проведены с использованием специально разработанной программы. В случае рассматриваемой перфорированной стенки с проницаемостью 30%. относительное расстояние между осями отверстий РоЛ1 = 0.18 шероховатость дна 0,70мм, шероховатость конструкции 0.50мм, значения чисел Рейнольдса определены при 1:0С=150.

ЦС2 0,04 С.06 Q08 Q1C Q:2 Qi4 0.16 CUS Q20

puc.3 Рабочий диапазон при моделировании прохождения Волн через перфорированную стенку.

Отдельное место Во Второй глаВе предоставлено описанию разработки нркоторых средств экспериментального оборудования, позволяющих существенно снизить Влияние краевых эффектов из-за искустВенного ограничения модели. Представлена конструктивная схема оригинального типа гидравлического волнопродуктора с волногасящеи контакпной границей со стороны лотка. Волнопродуктор этого типа использован в волновом лотке БИГС. Основные технические параметры Волнопродуктора:

- частотный диапазон 0.44-2.0 Гц (период волны 0.5-^2.5 сек):

- Высота Волн • до 0.20 м;

- рабочий диапазон глубин - 0.12-^0,65 м;

- Воэможноспь генерирования регулярных и нерегулярных волн:

- коэффициент отражения от контактной границы - 0.25-;0.55 (в зависимости от параметров волнения и глубины воды).

Аля гашения отраженных волн В протибоположнем конце логгка. по проекту автора разработан и Внедрен оригинальный волногаситель. Волногасящий эффект достигается за счет скольжения Волны по откосу, прохождения через сквозной барьер.составленный из балочек и гашения в набиоске из плохообтекаемых элементов (пористость наброски -0.74). Коэффициент гашения знер;:ии В рабочем диапазоне Варьирует В диапазоне 0.89-0.97. а коэффициент оггражения енергии - 0.03-0.11 . pHedpfHue представленных технических средспй В Волновом лопке БИГС-Варна позволило "чначительно поВыс.ипъ наделмость модельных исследований и расшипипь с.пектр выгю/мяемых исследовательских задач.

В претьей глзбе представлена матемагшческэя • модель взаимодействия длинных (мелководных) волн со сквозными беоегозащипхыми сооружениями описанного типа. Математическая модель основана на известном линейном решении теории длинных волн. Задача решается & одномерной постановке при соблюдении всех допущений теории длинных волн (орбитальная скорость считается однородной по глубине, вертикальным ускорением пренебрегавшем, давление распределяется по гидростатическому закону). При принятой декартовой координатной системе, рассмогтрена сквозная преграда, установленная нормально к волновому лучу при следующих допущениях (рис.1):

- отверстия, Формирующие сквозность преграды расположены равномерно по осям "у" и "2" и занимают всю площадь преграды, которую принимаем полубесконечной (непереливаемой);

толщина преграды значительно меньше по сравнению с длиной волны . (е/1_— О):

- потери энергии и зФФекпы присоединенных масс существуют только 6 сечении х = 0 . при этом турбулентной диссипацией пренебрегаем.

Если обозначим область перед сооружением (в сторону моря) индексом (1) , а область за сооружением индексом (2) . уравнения поверхности воды и скорости в соответствии с решением теории длинных волн записываются:

= а0ехр НоТ-кх) ■+ аИехр И(П+кх) (8)

П2(хЛ) = аТехр Ног-кх) (9)

и, (х.1:) = а0 ехр 1 (Л-кх) + а„ ехр 1 (<П+кх) (10) и,(хД) г ат ГГ ехр И«-кх1 (11)

где ао -амплитуда набегающей волны.а

и — амплитуда он саженной волны,

ат - амплитуда прошедшей волны.

Условия сопряжения даются в виде:

П,= П2+ Ш,+ £ . х = 0 (12)

и,= иг(1 - х = 0 (13)

где : и - размерный коэффициент скоростного сопротивления.Сс]. Г -размерный инерционный коэффициент.[с2],а«*- коэффициент скоростного разрыва у преграды- в комплексном виде. В работах В.М.Шохина и Х.Кондо условие (13) представлено & виде и! = иг, что приводит к аналитическому решению. Подставляя уравнения поверхности воды и скорости (8)-(11). в условиях сопряжения при г = 0. после ряда

преобразобаний получаем решения для неизвестных, выраженных через коэффициенты прохождения и отражения в комплексном биде:

,Гп| _ А + ofxx(1 -А) ,, ..

ICRI " Ь А - (W1+A) • <14)

lCTl - i + А - от«*(1+А) (15)

где:

А = -fe; (и + 10£) (16)

а,«=-гт (и + 1<те>Г -1 (17)

kh L h + a0+ a„ J

Поскольку и = f(ц) и CR = f(CR). решение можно получипъ в рамках двух итерационных циклов. Ьнутренний -для решения CR=f(CR) и внешний - для решения u-f(it). Далее расчеты бедут к определению реальных значений изменения поверхности воды _ ib = f(x.t) и скоростей и., = f(x,t). на основе избест-юй теории частичного отражения в линейной постановке, через определение ©азовых смещений отдельных гармоник. Расчет горизонтальной компоненты нагрузки на единицу длины преграды осуществляется по зависимости:

F„<t> = pg(h+n,)[«J,+ Е (18)

Подставляя значения гь и ui б ур. (18). получаем уравнение нагрузки б комплексном биде:

F>< = рдА[>1 + (а0+ ан)ехр( 1еП:)] (а0- а„)ехр( 1<Т1:) (19)

Определяя [Рх| из ур. (19). максимальное значение нагрузки можем получить при помощи шагового решения б рамках одного периода волны (шаг по времени можно принять примерно 0.02Т). Ур. ( 19) работаете диапазоне 0<БЯ<1. что соответствует принятым допущениям.

В случаях сооружений, составленных из N сквозных преград, условия сопряжения для ¿-той преграды, где .1=1...N. записываются аналогичным путем как ур.(12) и (13). а уравнения поверхности и скорости - как ур.(8 - 11). В общем, задача сводится к решению системы уравнений с 2М неизвестными. В работе представлены

решения для разных комбинаций двух и трех преград, а также для комбинаций с сплошной стенкой.

В работе представлена методика экспериментального определения коэффициента скоростного и инерционного сопротивления. Получены полуэмпирические Формулы для расчета коэффициентов в первом

приближении Эля некоторых основных типов сквозных преград (тонкая перфорированная стенка, утолщеннэя решетка, ряд близкорасположенных цилинЗроб небольшого Зиаметра).

На основе полученных решений разработан ряд вычислительных программ Зля разных типов сооружений.

В четвертой главе представлено сопоставление вычислительных результатов с результатами экспериментальных исследований, осуществленных в волновом лотке. Экспериментальные исслеЗования выполнены Эля следующих гшпов сквозных сооружений:

- тонкая перфорированная стенка с равномерно распседглечиыми отверстиями квадратного и круглого сечения при сквозности (проницаемости) 10%. 20%, 30%. 42%. 60% .

- ряд свай цилиндрического и квадратного сечения (цилиндры небольшого диаметра) при коэффициенте сквоэности В=0/Ю-*Я): 0.33; 0.58; 0.75 . ■ "

- сооружения, составленные более чем из одной перфорирована« стенок, расставленных на расстояния "Ьл". =1 . . . N -1. где N - число стенок. Ьл меняется от 0 до и ( 1_-длича волны);

- сооружения, составленные из одной или более перфорированных стенок 6 комбинации со сплоиноа стенкой, при изменении расстояния между преградами. Ь^.

Эксперимент проводились при изменении волновых параметров с целью получения зависимостей от основных безразмерных параметров волнения - относительной длины и крутизны волн Н/1-.

Экспериментальным путем определялись:

- изменение уровня поверхности воды перед и за сооружением, что позволяет определять коэозициенгты прохождения и отражения волн;

- изменение горизонтальной и вертикальной компоненты волновой нагрузки.что позволяет определить средние максимальные (при вершине волны) и средние минимальные (при подошве) значения нагрузок и вгибающих моментов, а также ординату точки приложения суммарной чагрузки.

Результат опытов сопоставлены с результатами расчетов по эазработанной математической модели. На рис.4 преЗсплавлен пример гопоставления экспериментальных и вычислительных результатов эпреЗеления коэффициентов прохождения - СТ. отражения - СР? волнения J гашения волновой энергии - СО и безразмерной средне-максимальной горизонтальной нагрузки Р° = Р»/(0.5одЬ2) в зависимости от проницаемости перфорированной стенки. Видно удовлетворительное говпадение экспериментальных и вычислительных результатов. В то же 1ремя наблодаепся заметная разница с результатами вычисления при ^пользовании решения Х.Кондо. при котором не учитывается разноспь

Ь/Ь-О.Ю , ь/но-э0.0

эк

Ь/Но-ЗО.О , Ко/Ь-0.17

N

ЧЬ/и.ол

о .2 .в .в 1

рис.4 Сопоставление результатоЬ расчета с экспериментальными банным! (перфорированная стенка.----модель КонЗо.-моЭель аЬтора).

коростсй у преграды. На рис.4. представлено такие сравнение с езультзтам Вычисления нагрузки от стоячих Волн на сплошную стенку соответствии с методикой СНиП 2.06.04-82. которое показывает довлеш&орительное совпадение асимптотики решения, когда SR — 0 сплошная стенка ). В основном эти закономерности консггатиро&анны и ри исследованиях остальных Вышеперечисленных типов сооружений, ледует „ отметить существенное Влияние крутизны волн H/L и тносительной длины h/L на основные параметры взаимодействия: величение H/L приводит к уменьшению СТ и увеличению CR и F°. а Величение h/L - к увеличению СТ. уменьшению CR и F°.

Сопоставление экспериментальных и вычислительных результатов эказывает. что расчетная процедура, основанная на разработанной ^тематической модели Злинных волн, обеспечивает хорошее совпаЗение чя всех ислеЭованных конструкций, составленных из перфорированных ленок, а также для конструкций, составленных из свай небольшого jaMempa. Вычислительные результаты для всех типов сквозных инструкций показывают удовлетворительное совпадение для -¡разрушающихся волн в диапазоне до h/L í 0.15-0.20. а при пологих элнах (H/L < 1/50) - и до h/L < 0.25.

В пятой главе рассмотрены возможности применения резулыгагшо ¡зрабоггки для решения прикладных задач. Сделан анализ области зименения полученных экспериментальных результатов, разработанных >спериментальных и расчетных методов. Основным методом следования сквозных берегозащитных сооружений является метод ;спериментального гидравлического моделирования. Метод применим в |боратэрных условиях, при наличии современных гидравлически» ■енЗой, измерительной аппаратуры и ЭВМ. При этом необходимо >блюдать условия автомодельности. представленные системой lumepueB ур.(1-6). а также необхоЗимо наличие системы сбора и |работки Занных.предусматривающей учет краевых эффектов (отражение лн. длиннопериодные колебания, поперечные Волны, погрешности мерений и т.д).

Разработанные расчетные методы как и соответствующие (числительные программы можно применять Эля предварительного оектирования и оптимизации геометрии разных типов сквозных регозащитных сооружений, а окончательный вариант необходимо следовать при помощи экспериментального моделирования в ответствии с вышеуказанными принципами.

Как показали результаты конструирование более сложных оружений, составленных из нескольких скВозных преград с или без лошноо стенки. дает возможность получить весьма эффективные □Руления. обладающие очень низкими коэффициентами отражения и эхожденич. значиге-льним коэффициентом волногашения.

обеспечибающие равномерное распределение нагрузки б пространстве и во бремени на отбельных преградах. На рис.5 показан пример совместного применения экспериментальных и расчетных методов при конструировании кессона, составленного из перфорированных стенок для создания волнолома порта г. Даляна. Сравнение основных гидродинамических и конструктивных показателей этого кессона с показателями обычного гравитационного кессона показываеп значительные преимущества сооружений первого типа. Результать этого сравнения при hcc.-12.5M. Т=8.бс. 1з/1.=0. 15 и 1_/Н=15 показань б ггибл.З где: а - напряжения б основании. Кы.с - коэффициент устойчивости скольжения.Кы.о-коэФФициент устойчивости опрокидывания

Ж

кв

ъ

И к/ <-г-> ч>

.00

19.60

Рис.5 Перфорированный кессон Таб.3.Параметры сравнения перфорированного кессона с гравитационныг-

ПАРЛКЕ1ТЫ КВ Масса О? Рх.мах Рг.мах Й .мах & ,м1п Ку, с Ку.с

(ЗгРНЖЕНИЯ [м] [кНс2/м] - [кН] [кН] [кН/м2] [кН/и=] - -

Перфорированный кессон, (рис.5) +6.00 860 0.29 340 215 65,50 2.55 1,27 1.57

Граатгационныя кессон +8.50 2120 0.63 640 280 184.0 6.00 1,56 2.46

ОСНОВНЫЕ БЫВОЯЫ

1. Использование берегозащитных и оградительных сооружений, составленных из сквозных преград. является современном высокоэффективным методом управления процессами в береговой зоне. В то же время исследование и проектирование таких сооружений затруднено, с одной стороны, из-за сложности математического описания процесса взаимодействия с волнением, а с другой, из-за недостаточной изученности особенностей экспериментальных методов исследования таких сооружений. Все это приводит на настоящем этапе, во-пеовчх, к необходимости совершенствования экспериментального подхода, и, во-вторых, к необходимости разработки доступных теоретических методов расчета сквозных береговых сооружений. В настоящей работе представлено возможное решение этих проблем на основе применения метода гидравлического моСэл; :рсвемиз в сочетании с упрошенной математической мод°льо.

2. Несоблюдение условий лвгчсуодельноспи пои гидоевли'-'о^сч "оделеровгмии сквозных соору-гмий приводит к ^'«»цч результатов, а именно: к у.-'ечьигчию козт^ии^та гоохе~Ррчи^, увеличению волновой магруки и коэстичиента оггражеми^. Погрск^ст? увеличивается с удзлечи'-ч еп границы вбтсмоСзлънссгси. Распространенное мнение, что евтогодельностъ можно оценипь при помощи только одного критерия типл числа Рейнольоса или какогэ-то Фиксированного граничного маачт ;ба, недостаточно обосновано. Необходимо детально оценивать все существенные с ггияичоской точки зрения стороны процесса взаимодействия: оЗцую турбулентность волнового потока, обтекание элементов. пограничный слой, шероховатость дна и элементов конструкции. Продсгоэвл-.-нная в работе система критериев оценки автомодельное^, включающая основные параметры волнения и существенные геометрические ■ характеристики модели сооружения, позволяет прогнозировать отклонения от автомодельности и оценивать влияния масштабных эффектов.

3. Проведение надежных модельных исследований, как правило, требует специализированного исследования краевых эффектов для каждого конкрегшого лотка или бассейна. При моделировании сквозных берегозащитных сооружений необходимо принять ряд методологических и технологических мер для предотвращения краевых эффектов. Особо опасными являются эффекты отраженных волн и длиннопеоиодных колебаний при моделировании нерегулярного волнения, когда необходима значительная продолжителность эксперимента. Представленные в работе методы сбора и обработки экспериментальных данных, а также результаты испытаний оригинального типа

болнопродуктора с гасителем отраженных волн и разработанного осно&ного гасителя Волнения, показывают. что Влияние краебых эффектов можно существенно снизить при помощи улучшения методики и технических условий эксперимента.

4. Исследования и расчеты берегозащитных сооружений сквозного типа могут быть успешно осуществлены при совместном применении эксперименталоного моделирования и упрощенной математической модели. При этом, ведущим является экпериментальный метод, при , помощи которого осуществляется верификация математической модели, а также исследование конструкции 6 конкретных экстремальных условиях (воздействие прибойных волн, воздействие иторма по заданой реализации нерегулярных волн и т.д.). Со своей стороны, математическая модель позволяет реиьть задачу оптимизации конструкции б иироком диапазоне изменения геометрических и волновых параметров.

5. Представленная б работе математическая модель, которая является продолжением известных решений, основанньх на урабнениях линейной пиории мелководных волн, учитывает разницу скоростей б области сквозной преграды. Решение развито до расчета суммарной волновой нагрузки. Расчеты с использованием представленного решения показывают до 20% уменьшения коэффициента гашения волновой энергии, до 10% увеличения значения коэффициентов прохождения и отражения, по сравнению с извеспными аналитическими решениями, что было подтверждено также результатами осуществленных экспериментов. Решение может быль использовано для предйарительного расчета разных типов сквозных сооружений, а в сочетании с экспериментальной моделью (для определения коэффициентов скоростного и инерционного сопротивления) - и для проектных расчетов сооружений конкретного типа.

6. Расчет параметров процесса взаимодействия волнения со сквозными берегозащитными сооружениями является сильно зависимым от коэффициентов скоростного и инерционного сопротивления. Вопрос определения этих коэффициентов для сооружения со сложной геометрией 6 нестационарном потоке пока недостаточно изучен, так что основным методом их определения остается экпериментальный. В работе представлены полуэмпирические зависимости для определения коэффициентов для некоторых основных случаев сквозных преград. Эти Формулы могут быль использованы для предварительного расчета сквозных сооружений аналогичного типа, а также как основу для продолжения исследований в этой области.

7. Рациональное определение геометрических параметров многостенных проницаемых или непроницаемых сооружений, составленных

иэ сквозных стенок (например сооружения типа проницаемого или непроницаемого перфорированного кессона) позволяет создать конструкции, которые значительно более эффективны, чем традиционные гравитационные или набросные сооружения. Примерное сравнение перфорированного кессона с традиционным гравитационным кессоном, защищенным наброской фасонных массивов, показывает значительное уменьшение коэффициента отражения и увеличение коэффициента гашения волновой энергии, почти в два раза уменьшение суммарной максимальной нагрузки от волнения, в то же время нет необходимости в защите наброской массивов. Следует отметить, что конструирование и расчет эффективных сооружений такого типа практически возможен только с использованием математической модели, как предлагается в настоящей работе.

8. Показана возможность использования сквозных сооружений, составленных несколькими рядами близко расставленных свай, в качестве эффективных берегозащитных сооружений. При подходящем конструировании, в соответствии с волновыми условиями, ггекие сооружения могут обладать значительной волногасяаей способностью (как показано в работе - до 80%). выполняя при этом важную экологическую функцию, состоявшую в обеспечении возможности водообмена между защищенной акваторией и морем.

Разработанные в рамках диссертации методы и вычислительные программы успеило эксплуатируются в Институте Гидро - и Аэродинамики Болгарской Академии Наук. позволяя значительно расширить спектр, повысить качество и сократить сроки выполняемых научно-исследовательских и проектных работ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Пенчев.B.C.."Модельные исследования сооружений для защиты Болгарского Черноморского побережья". Материалы областного научно -технического симпозиума. Варна. 1984 (соавпор Драганчейа, П.X.)

2.Пенчев.В.С.."Лабораторная модель волнопродуктора с автономным волногасителем".Всемирная выставка молодых изобретателей и рационализаторов ЕХР0'85. Пловдив. 1985

3.Пенчев.В.С.. "Сравнение методов экспериментального моделирования устойчивости пляжа за подводным волноломом".Материалы симпозиума МАГИ по масштабным эффектам. Торонто, Канада, (соавторы Соткойа.М.. Драганчева.Д.). 1986. (на английском)

4.Пенчев,В.С.. "К вопросу экспериментального моделирования волновой нагрузки на берегозащитные сооружения". Материалы IV-ого конгресса Ассоциации стран восточного Средиземноморья (IMAEM). Варна, (соавтор Иветанов и.). 1987. (на английском)

5.Пенчев.В.С.."Экспериментальные сооружения и измерительные методы для модельных исследований морских гидротехнических сооружений в БИГС", Материалы международной конференции "Прогрессивные технологии в транспортном строительстве", (соавторы Богданов.П.А.. Драганчева.Д.X). Варна, 1987

С.Пенчев B.C.."Измерение компонентов волновой нагрузки на лабораторные модели сквозных берегозащитных сооружений". Материалы 17-ого научно-метэдологического семинара по гидродинамике, Варна. 1988 (на английском)

7.Пенчев В.С.,"Прохождение мелководных волн через сквозн^з преграды". Материалы V-око конгресса Ассоциации стра'« восточного Средиземноморья. Афины. 1990 (на английском)

8.Пенчев B.C.. "Экспериментальное исследование берегозащитных сооружений из перфорированных стенок". Материалы симпозиума HADMAR'91, (соавторы Д.Гуанинг, Х.Ванг. М.Соткова). Варна. 1991 (на английском).