整体波浪物理模型试验一` 主要研究内容

整体波浪物理模型试验

一、 主要研究内容

整体波浪物理模型试验主要解决港区水域及水工建筑物的平面布置问题，研究港内调头地和装卸区（泊位处）的泊稳条件以及港外航道与口门附近的船舶适航条件，码头前沿波高及码头面上水情况，防波堤、护岸处波高及越浪等。具体可分为波浪传播与变形模型试验、港内水域平稳度模型试验、船行波模型试验等。

二、 模型相似定律

水力相似根据力学原理可分为：几何相似、运动相似及动力相似。几何相似是指原型与模型保持几何形状和几何尺寸的相似，即它们所有的相应线段长度保持一定的比例关系；运动相似是指模型与原型的运动状态相似，即模型与原型中任何相应点的速度、加速度等必然相互平行且具有同一比例或者使两个流动的速度场（加速度场）是几何相似的。动力相似是指模型与原型的作用力相似，即模型与原型作用于任何相应点的力必然相互平行且具有同一比例。

除了以上三点外，两个水流系统要达到力学相似，还应有边界条件相似，对于非恒定过程还要求有起始条件相似。

牛顿相似定律是判别两个流动相似的一般规律。牛顿相似定律中外力F 是指作用于流体的所有外力之和。对水流运动来说，作用力可以有惯性力、重力、粘滞力、压力、弹性力、表面张力、离心力、振动力等。

在实际工程问题中，流体运动中某些作用力常不发生作用或影响甚微，故可仅仅考虑惯性力及其某一种主要作用力，从而得出原型与模型之间各量的相似定律，即特别模型定律。如重力相似律（佛劳德数Fr ）、粘滞力相似律（雷诺数Re ）、表面张力相似律（常伯数）、弹性力相似律（柯西数Cu ）及压力相似律（欧拉数Eu ）等。

在海洋、湖泊和江河中所见到的波浪都是重力波，其所受的主要作用为重力和惯性力，故模型应遵循重力相似律，要求模型与原型的佛劳德数Fr 相等，常数==p p 2p m m 2m g g L V L V ，即1L g 2V =λλλ。

具体来讲，在进行港口防浪掩护整体波浪物理模型试验时，必须使模型中的波浪传播速度及水质点运动轨迹，波浪的折射、绕射、反射以及波浪破碎等现象与原型相似。

1. 波浪传播速度相似

L h th gT V ππ22=，写成相似比尺为L h

th T V πλλλ2=

如果要求波速比尺V λ在模型中的各个部位相同，即不随水深而变化，通常

取h L

λλ=，这样即得T V λλ=。由于L=V .T ，所以2/12/1h L T V λλλλ===。 2. 波坦和波浪破碎情况相似

为使模型中波坦与原型相似，则要求满足h L H λλλ==，因此，波坦δ的比尺为1/==H L λλλδ。满足上述条件则波浪在模型中的破碎区域与原型中相同。但是，由于表面张力及水底糙率与原型的差异，模型中破碎现象与原型会稍有差别。这就是模型试验中破碎极限H/d 比原型小的原因之一。原型中H/d ＝0.78（孤立波），模型中一般H/d ＝0.5～0.6。

3. 波浪折射相似

波浪折射角与波速的关系为

1212sin sin V V =ϕϕ，波浪折射角比尺为12/12/11sin sin 212

===h h V V λλλλλϕϕ，即取波长比尺等于水深比尺时，可达到波浪折射相似h L λλ=。

4. 波浪绕射相似

波浪在传播过程中遇到建筑物或岛屿等障碍物要发生绕射。波高在障碍物后逐渐衰减，传播距离越远衰减越大，为此必须要求波长比尺等于水平比尺，即l y x L λλλλ===，亦即绕射系数比尺1=KQ λ。

5. 波浪反射相似

要求原型与模型建筑物边坡相同，波浪反射相似或立波的波腹与节点位置相似，是通过使 L x

kx π2= 在原型与模型中相等实现的，为此应波长比尺等于平面

比尺，即l L λλ=。

三、 试验技术

1．试验范围及比尺选择

整体物理模型试验的范围，应包括试验要求研究的区域和对研究区域波浪要素有影响的水域。

一般应采用正态模型（变态模型折射不相似），模型比尺选择应根据试验水池和建筑物结构的尺度、波浪等动力因素和试验仪器测量精度确定，并应充分利用试验条件，采用较小的模型比尺。按照《波浪模型试验规程》要求，整体物理模型试验长度比尺不应大于150。当有船模置于其中时，长度比尺不应大于80。船行波试验时，模型长度比尺不宜大于30。

选择模型比尺时，应考虑以下限制条件：为了消除粘滞力的影响，雷诺数Re>2000，满足要求的最小波高为 1.0cm；为了消除表面张力的影响，波速C>23cm/s时，表面张力对形成重力波的影响不显著，此时相应的波长L＝15cm。因此，《波浪模型试验规程》规定：模型的原始入射波，规则波波高不应小于2cm，波周期不应小于0.5s；不规则波有效波高不应小于2cm，谱峰值周期不应小于0.8s。

2．边界条件

试验水池中造波机与建筑物模型的间距应大于6倍平均波长，在开敞式码头或有直立式防波堤、外航道时，因波浪反射较大，该距离还需加大。模型中设有防波堤堤头时，堤头与水池边界的间距应大于3倍平均波长，单突堤堤头与水池边界的距离应大于5倍平均波长，并应在水池边界设置消浪装置，减小反射影响。

在造波机有效作用范围内，设导波墙，导波墙之间距离应大于2倍以上口门宽度。在港内四周边界及外堤都是斜坡堤时，而波浪不反射情况下，导墙可采用直立式，否则导墙应采用斜坡式。

3．模型制作

模型的地形应采用不小于1:5000的地形图，按选定的模型比尺划出试验模型的范围，并在图上绘出平面控制导线和网格；在试验水池中进行控制导线和网格、地形等高线和建筑物的轮廓线放样，并设置1－2个模型水准点；用等高线控制点法或断面板法控制高程；模型的地形采用砂子充填，压实后，用水泥抹面，制模断面和控制点高程的允许偏差±1mm，抹面后的地形高程允许偏差±2mm。

4．波浪模拟

试验宜模拟单向不规则波，必要时模拟多向不规则波。谱型宜模拟工程水域的实测波谱，无实测波谱时，可采用我国《海港水文规范》（JTJ213）中规定的波谱或其它合适的波谱。必要时，应模拟波列及波群。

单向不规则波模拟的允许偏差应满足《波浪模型试验规程》要求，实测谱与期望谱的总能量误差应小于±10%；峰频谱模拟值的偏差不大于±5%；谱密度等于或大于谱峰值的0.5倍范围内，不同频率对应的谱密度值的允许偏差为±15%。

5．测点布置

原始波控制点处水深一定要保证设计要求的波要素相对应的水深，控制点位置应不受或尽量少受反射波的干扰，波浪过程线应保证其平稳性和各态历经性。

波浪传播与变形模型试验应对重点研究和波浪变化明显的水域加密测点，但测点间距不应小于20cm；港内水域平稳度模型试验应在港内水域外不受建筑物影响的水域，布置1－2个波浪监测点，并应在每个泊位码头前1/2船宽处增设不少于1各测波点，研究波浪对取排水工程的影响时，尚应在取、排水口的头部布置测点，以考虑长周期波的影响；船行波模型试验中测波点的布置，应能测得近船处和近岸处的最大波高和波向，研究船行波对护岸建筑物作用时，应在护岸建筑物的前沿布置测波点。

6．试验设备和量测仪器

造波设备产生的波浪应波形平稳，重复性好，水池边界应有消波装置。置于水中的传感器不应破坏波形测量系统应满足灵敏度和稳定性的要求，在满量程条件下2h内的零漂应小于±5%，波高仪线性偏差应小于±2%。

天津港湾工程研究所水工室46m×30m×1.0m的大型水池中装备有从丹麦水工研究所（DHI）引进的可移动式不规则波造波机系统，可按要求模拟规则波和各种谱型的不规则波，该造波设备产生的波浪波形平稳，重复性好。BG-1型波高传感器及2000型数据采集、处理系统灵敏度高、稳定性好。

7．试验数据采集与分析

不规则波试验的波浪数据采集时间间隔应小于有效波周期的1/10，且不宜大于高频截止频率对应周期的1/4，采样间隔一般为0.03s。在波浪平稳条件下，