螺旋槳洗流間歇沖刷的試驗研究

摘 要：隨著船舶上的使用高功率發(fā)動機以及船舶機動性能的提高，螺旋槳洗流在實體式建筑物周圍的沖刷正逐漸成為沖刷研究的重要內容之一。自行研發(fā)設計了一體化試驗設備，利用該設備進行螺旋槳洗流對重力式碼頭海床間歇性沖刷試驗研究，模擬不同工況下螺旋槳間歇性沖刷對沖刷深度的變化情況并與連續(xù)沖刷進行對比。試驗結果表明：相比于連續(xù)沖刷，間歇沖刷會加深沖刷坑的深度。

關鍵詞：螺旋槳洗流；間歇沖刷；模型比尺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.024

0 引言

近年來在船舶上大規(guī)模的使用高功率發(fā)動機以及船舶機動性能的提高，螺旋槳洗流在實體式建筑物周圍的沖刷直接影響結構物基礎的穩(wěn)定性。在螺旋槳洗流作用下，水體對重力式碼頭長期進行連續(xù)及間歇沖刷，造成碼頭海床穩(wěn)定性降低，建筑物的基礎一旦因沖刷失穩(wěn)或碼頭面被沖刷淘空，不僅造成結構物本身的破壞，而且會威脅建筑物后方堆場上生命財產的安全，由此帶來經濟上的巨大損失。

陳民杰（2006）[1]采用模型比尺方法進行模型試驗，并發(fā)現(xiàn)了最大沖刷坑的類型及其影響因素。Romisch 1975[2]、Verhey 1987、Hamill 1988對螺旋槳洗流沖刷特征的影響因素進行了研究，在工程實際中考慮到船舶停泊或起錨的隨機性，螺旋槳洗流對海床造成的沖刷不可能一次性的連續(xù)完成，而是間歇的或不連續(xù)的逐漸達到累積的平衡沖刷狀態(tài)。因此，有必要進行螺旋槳洗流間歇沖刷的試驗研究。

本文擬通過物理試驗方法進行不同工況下的螺旋槳沖刷試驗，在物理試驗的基礎上再利用軟件對沖刷情況進行模擬，研究間歇性沖刷與連續(xù)沖刷的異同及不同時間間隔對間歇沖刷最大沖刷深度的影響。

1 試驗設備

試驗在水力學實驗室的水箱中進行，實驗裝置移動支架，水箱由試驗系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和測試系統(tǒng)組成。試驗系統(tǒng)由水箱和排水管道組成，水箱的長、寬和高分別為2m、1.2m和1.2m，水箱的壁面采用鋼化玻璃制作，以便觀察試驗現(xiàn)象，水箱的前端壁面擬定為重力式碼頭。

動力系統(tǒng)由移動支架和螺旋槳軸承固定系統(tǒng)組成。在水箱長軸方向的光桿軌道上，設置支架的目的一方面是用于搭載螺旋槳軸承固定系統(tǒng)，另一方面支架可帶動螺旋槳沿水箱的長軸方向和豎直方向移動以便控制螺旋槳距離碼頭壁面的水平距離和距離海床面的高度。該系統(tǒng)由電機、軸承和變頻器組成，變頻器與電機相連，電機與軸承相連，軸承的前端固定有螺旋槳。分別為三相異步電機和變頻器。電機輸出功率為0.75kw，最大轉速可達到2800rpm。與電機相匹配的變頻器可控制電機的轉速。

測試系統(tǒng)由軌道以及軌道上搭載的量測設備組成。沿水箱的兩個長邊方向各安裝一根長度為2.3m的滾珠絲桿軌道，沿短邊方向和豎直方向分別安裝長度為1.4m和1.2m的滾珠絲桿軌道。豎直方向的軌道用以搭載流速儀和探頭，搭載流速儀的軌道可上下移動。短邊方向的軌道一方面用于搭載豎直方向的軌道和地形測量儀，另一方面可控制豎直方向的軌道以及地形測量儀沿短邊方向移動。長邊方向的軌道一方面用于搭載短邊方向的軌道，另一方面可控制短邊方向的軌道沿長邊方向移動。控制軌道移動設備包括步進電機、驅動器和控制器，量測設備三維地形測量系統(tǒng)。三維地形測量系統(tǒng)用以獲取海床地形圖。

該系統(tǒng)由URI—Ⅲ型地形儀、軌道控制器、軌道、系統(tǒng)計算機四部分組成。系統(tǒng)聯(lián)合運用超聲和阻抗測量技術、計算機控制技術，實現(xiàn)二維全斷面地形和三維多斷面地形連續(xù)全自動快速掃描測量與成像、三維立體圖的精確重建。

試驗中重點對模型及水流的相似性進行研究，并得出沖刷規(guī)律，暫不考慮泥沙起動、沉降等相似條件。重力式碼頭的粗糙率相對于螺旋槳洗流對海床沖刷的影響較小，所以試驗中采用玻璃板進行模擬，粗糙度對沖刷試驗的影響忽略不計。

2 沖刷試驗

定義：某一個螺旋槳在位于海床面某一高度處、距離水箱壁面某一位置處，在事先設定好的某一個轉速下開始運轉，運轉的螺旋槳在水中產生洗流，洗流遇到壁面時產生反射，反射的水流沖擊壁面前方的海床面從而引發(fā)沖刷，螺旋槳一直運轉下去直到形成穩(wěn)定的沖刷坑為止，這個沖刷過程稱為連續(xù)沖刷。

間歇沖刷過程將連續(xù)沖刷的18分鐘等分，單次沖刷的時間長度設定為2/3min、分別沖刷9/6次，其他過程與連續(xù)沖刷保持一致。

（1）在水箱底部鋪設280mm厚的土樣。先把干土放入水箱中，用鐵鏟翻攪使土樣均勻，然后往土樣中放入水，邊放水邊攪拌直至土孔隙中的氣體排出。

（2）往水箱中注入850mm高度的水。在水壓的作用下使土樣固結2天。

（3）固定螺旋槳。將螺旋槳放置在槳葉底部邊緣距離海床面高度C=150mm、距離水箱A壁面的距離分別取500mm、900mm和1200mm。

（4）設定螺旋槳轉速。通過設定變頻器將螺旋槳轉速設定為700rpm，讓螺旋槳運轉，直到壁面A前面的沖刷坑穩(wěn)定為止。

在開啟螺旋槳的瞬間，緊鄰碼頭面底部的砂土表面發(fā)生較為明顯的淘刷現(xiàn)象，海床面逐漸形成明顯的凹陷與凸起，隨著時間的推移，當沖刷進行到18分鐘時不再加深并發(fā)展為穩(wěn)定的沖刷坑。

3 結論

（1）通過預設的不同工況下進行的試驗得出：螺旋槳到碼頭面距離越小，最大沖刷量越大，相比于連續(xù)沖刷，間歇沖刷會加重沖刷深度的發(fā)展。

（2）在總沖刷時間一定的情況下，時間間隔越小，總沖刷次數越多，沖刷量越大且遠離連續(xù)沖刷的最大沖刷量，相反，時間間隔越大，總沖刷次數變少，沖刷量減小且接近連續(xù)沖刷的最大沖刷量。

（3）相比于連續(xù)沖刷，間歇沖刷在未沖刷的時間間隔內，由于土體上覆有效應力降低，從而使土體密實度降低，從超固結土（Pc/Po>1）變?yōu)檎９探Y土或欠固結土（Pc/Po≤1），從而加重沖刷的形成。

參考文獻：

[1]陳民杰.貨柜船舶螺槳引致碼頭岸壁淘刷與附近流場探討[D].臺北：臺灣海洋大學，2006.

[2]Fuehrer M. and Romisch K. Effects of modern ship traffic on islands and ocean waterways and their structures[C].

作者簡介：韓定均（1991-），男，河北邢臺人，在讀碩士，研究方向：港口海岸及近海結構、巖土工程。