螺旋槳洗流在實體式碼頭前沿砂質海床上的間歇沖刷試驗研究

施 雨，李俊花，劉文白，韓定均

(上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306)

螺旋槳洗流在實體式碼頭前沿砂質海床上的間歇沖刷
試驗研究

施 雨，李俊花，劉文白，韓定均

(上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306)

隨著高功率發(fā)動機在船舶上的使用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。首先自行研發(fā)了一套一體化試驗設備，之后利用該設備進行了螺旋槳洗流對實體式碼頭砂質海床的間歇性沖刷試驗研究。通過對d50=0.7 mm的原型砂土海床的間歇沖刷試驗發(fā)現(xiàn)：在同等試驗條件下,與連續(xù)沖刷相比，間歇沖刷會加深沖刷坑的深度，加深范圍介于1.3%～24.8%；間歇沖刷時單次沖刷時間長度越短，沖刷次數(shù)越多，沖刷深度加深的越明顯；且隨著螺旋槳到碼頭面距離的增大，間歇沖刷引起的沖刷深度的增加越明顯。最后提出了最大間歇沖刷深度的定量預測方法，該方法可為實體式碼頭前沿砂質海床的間歇沖刷防護提供理論支撐。

螺旋槳洗流；間歇沖刷；沖刷深度；砂質海床

螺旋槳的轉動加速周圍水流的運動，從而產生轉動射流，即洗流。當洗流遇到實體式建筑物的限制時，導致洗流流向的變化而沖擊建筑物前面的海床，從而引發(fā)建筑物前面海床的沖刷，Hamill(1999)[1]將這類問題歸結為螺旋槳的洗流沖刷。早期階段的研究主要針對無結構物存在時螺旋槳洗流對砂質底床的沖刷(Romisch 1977[2]、Verhey et al. 1983[3]、Hamill 2004[4])。李勇[5]等人通過增加碼頭岸壁和基床底面2個邊界條件，同時變化螺旋槳的轉動速度，使射流場更接近實際情況。通過研究發(fā)現(xiàn)，影響螺旋槳洗流沖刷特征的因素主要包括密度弗汝德數(shù)、射流雷諾數(shù)、螺旋槳的直徑以及螺旋槳底部距離海床面的高度。近期的研究主要針對結構物的存在對螺旋槳洗流沖刷的影響。Chin(1996)[6-7]使用平面射流代替螺旋槳洗流研究了結構物附近射流引發(fā)的沖刷，但他并未給出平衡沖刷深度的預測公式。Laurens (2002)[8]、Ayse (2005)[9]等研究了砂質海床上樁基礎的存在對螺旋槳洗流沖刷的影響。謝智凱 (2004)[10]、陳民杰 (2006)[11]等分別研究了岸壁到螺旋槳的距離對沖刷的影響，試驗結果很好的驗證了Hamill (1999)[1]的觀點。但相關研究都是針對砂質海床在螺旋槳洗流作用下的連續(xù)沖刷，未考慮沖刷的間歇性。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)。將螺旋槳工作的間歇性加以考慮可使研究更符合實際，也會增加人們對沖刷機理的完整性認識。

本文通過物理試驗方法進行不同工況下螺旋槳洗流的沖刷試驗，在物理試驗的基礎上再利用ORIGIN軟件對沖刷情況進行模擬，研究間歇性沖刷與連續(xù)沖刷的異同及不同間歇沖刷時間對間歇沖刷最大沖刷深度的影響，找到兩者最大沖刷深度的相對變化范圍，進一步得出定量預測最大間歇沖刷深度的經驗公式。

1 試驗設備與方法

1.1試驗設備

試驗在上海海事大學海洋科學與工程學院的水力學實驗室進行。實驗裝置為一小型水箱，如圖1所示。水箱由試驗系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和測試系統(tǒng)3部分組成。

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2 m、1.2 m和1.2 m，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A擬定為重力式碼頭。

圖1 試驗儀器Fig.1 Test instrument

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0.75 kw，最大轉速可達到2 800 rpm。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2.3 m的滾珠絲桿軌道，沿短邊方向安裝長度為1.4 m滾珠絲桿軌道。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。

1.2螺旋槳特征參數(shù)選擇

Rajaratnam(1981)提出，在螺旋槳洗流的沖刷試驗中只要Rej>104，就可以忽略流體粘性的影響。Rej按(1)式計算

(1)

式中:V0為螺旋槳的出口流速；Dp為螺旋槳的直徑；v為流體的運動粘度(水在15℃的運動粘度為1.141×10-6m2s )。Blaauw(1978)[12]等給出V0可以按(2)計算

(2)

式中：n為螺旋槳的轉速，rps；Ct為螺旋槳的推力系數(shù)；Dp為螺旋槳的直徑，m。

依據(jù)Qurrain(1994)[13]對英國港口的調查結果，對海床造成沖刷的典型螺旋槳的直徑范圍在1.5～3 m之間，轉速大約為200 rpm。本實驗采用Lam(2010)[14]在實驗中采用的Dp=2.5 m、Ct=0.35以及n=200 rpm 的螺旋槳作為原型。利用式(2)計算出原型螺旋槳的出口流速為4.93 ms。

試驗中重點對螺旋槳的動力相似進行研究，并得出沖刷規(guī)律，暫不考慮泥沙起動、沉降等相似條件。實體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。

試驗中擬采用的螺旋槳直徑為150 mm。根據(jù)弗汝德數(shù)相似準則可得到模型螺旋槳出口流速的計算公式為

(3)

再結合式(2)可得到實驗中采用的模型螺旋槳的轉速。試驗中采用螺旋槳的特征參數(shù)如表1所示。

表1 實驗中擬采用的螺旋槳的特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of propeller to be used in experiment

表2 實驗中擬采用的螺旋槳的雷諾數(shù)Tab.2 Reynolds number of propeller to be used in experiment

依據(jù)實驗中采用的螺旋槳的轉速得到相應的雷諾數(shù)見表2。

從表2可以看出，實驗中采用的螺旋槳的雷諾數(shù)均超出104，因此流體粘性的影響可以忽略。試驗中設定螺旋槳轉速700 rpm，此時對應的螺旋槳的出口流速為1.04 ms。

1.3顆粒級配分析

依據(jù)《土工試驗方法標準GB_T50123-1999》，對碼頭前沿海床土體進行土顆粒級配分析，通過篩分法得到小于某粒徑土顆粒的百分比含量，從而得出土的級配曲線(如圖2)，取出d10、d30、d60，測得不均勻系數(shù)Cu≥5且曲率系數(shù)1≤Cc≤3，根據(jù)《土的分類標準》(GBJ145-90)，試驗所用土顆粒屬于粗粒砂土且級配良好。該土的中值粒徑為d50=0.7 mm。

圖2 實驗用土顆粒級配分析Fig.2 Analysis of soil size grading in experiment

2 連續(xù)沖刷試驗

2.1試驗工況

根據(jù)螺旋槳到碼頭面距離將試驗工況分為3種，如表3所示。

2.2連續(xù)沖刷

定義：某一個螺旋槳在位于海床面某一高度、距離水箱壁面A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A時產生反射，反射的水流沖擊壁面A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。

表3 沖刷試驗工況Tab.3 Scouring test conditions

連續(xù)沖刷的試驗過程如下所述：

(1)在水箱底部鋪設280 mm厚的土樣。

(2)往水箱中注入850 mm高度的水。讓土樣在水壓的作用下靜置48 h。

(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=150 mm、距離水箱A壁面的距離分別取500 mm、900 mm和1 200 mm。

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

(5)通過WEET測試系統(tǒng)進行沖刷坑的數(shù)據(jù)采集。

依照上述步驟進行連續(xù)沖刷試驗。觀察到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，可清晰觀察到大量的砂土顆粒沿螺旋槳軸向及切向發(fā)生迅速的位移，海床面逐漸形成明顯的凹陷與凸起，隨著時間的推移，沖刷速度逐漸減緩，最終形成穩(wěn)定的沖刷坑。

2.3模型驗證

為了驗證本文物理模型的合理性，本小節(jié)首先采用Hamill G. A., Johnston H.T. and Stewart D.P.[1]給出的螺旋槳在直立式碼頭前沿引發(fā)砂土海床面沖刷深度的預測公式進行計算，之后與模型實測的最大沖刷深度進行比較。

將實驗參數(shù)代入上述公式算出計算沖刷深度，將3種工況下的計算數(shù)據(jù)與實驗測得實際沖刷深度進行比較，可得在表4可以看出，本實驗3種工況下的計算數(shù)據(jù)與實驗測得實際沖刷深度的偏差率為工況3下的10.1%到工況1下的23.5%。

表4 計算沖刷深度與實測沖刷深度比較Tab.4 Comparison between calculated scour depth and measured scour depth

3 間歇沖刷試驗

3.1間歇沖刷

定義：當某一螺旋槳或多個螺旋槳在間歇運轉的情況下，在水箱A壁面前面海床處形成沖刷的過程稱為間歇沖刷。而將螺旋槳一次連續(xù)運轉的時間稱為間歇沖刷時間。間歇沖刷總時間指的是從沖刷開始到觀察到海床面不再沖刷的時間長度，不是事先規(guī)定的時間。

間歇沖刷的試驗過程基本與連續(xù)沖刷一致，但是步驟4先讓螺旋槳運轉一個間歇沖刷時間，然后停止，隔一段時間以后再次啟動螺旋槳運轉一個間歇沖刷時間，本試驗采用的間歇沖刷時間分別為2 min和3 min，重復這個過程直至形成穩(wěn)定的沖刷坑。

圖1 螺旋槳平面布置圖Fig.1 Propeller layout

3.2試驗結果分析

圖2、圖3和圖4分別給出了3種工況下連續(xù)沖刷與間歇沖刷時螺旋槳軸面最大沖刷深度的對比圖。圖中，實線表示的是連續(xù)沖刷時的平衡沖刷深度，虛線表示的是間歇沖刷時的平衡沖刷深度；橫坐標表示離開碼頭面的距離，縱坐標表示沖刷過后水箱底部泥沙厚度。從這3幅圖中可以看出：無論是連續(xù)沖刷還是間歇沖刷，最大的沖刷坑都在碼頭面處，即圖1的B點處；同等試驗條件下，間歇沖刷時引發(fā)的最大沖刷深度比連續(xù)沖刷引發(fā)的最大沖刷深度要深。

由表5得出：對應3種工況下，相比于連續(xù)沖刷，間歇沖刷都會在不同程度上加深沖刷的形成。最大沖刷量的加重百分比隨著螺旋槳到碼頭距離按照1 200 mm、900 mm、500 mm的順序依次為24.8%、10.7%、1.3%。可以明顯看出，沖刷量的加重百分比在不同工況下的差異十分明顯，且隨著螺旋槳到碼頭面的距離減小，加重百分比依次減小。

圖5給出了間歇沖刷時間為2 min及3 min時的最大沖刷深度的對比圖。圖中，實線表示的是間歇沖刷時間為2 min時的平衡沖刷深度，虛線表示的是間歇沖刷時間為3 min時的平衡沖刷深度；橫坐標表示離開碼頭面的距離，縱坐標表示沖刷過后水箱底部泥沙厚度。從圖中可以看出：間歇沖刷總時間相同的情況下，間歇沖刷時間越短，沖刷次數(shù)越多，沖刷坑的深度越深。

圖2連續(xù)與間歇沖刷對比(1200mm)Fig.2Comparisonofcontinuousscouringandintermittentscouring(1200mm)圖3連續(xù)與間歇沖刷對比(900mm)Fig.3Comparisonofcontinuousscouringandintermittentscouring(900mm)圖4連續(xù)與間歇沖刷對比(500mm)Fig.4Comparisonofcontinuousscouringandintermittentscouring(500mm)圖5間歇沖刷不同沖刷時間對比(500mm)Fig.5Comparisonofscouringtimeofintermittentscouring(500mm)

4 間歇沖刷深度預測方法

表5 不同工況下最大沖刷量對比圖(mm)Tab.5 Comparison of the maximum scouring amount under different test conditions

本小節(jié)首先對各工況下間歇沖刷時不同位置坐標下的最大平衡沖刷深度以及螺旋槳到碼頭面的水平距離進行了無量綱化處理，然后對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，在此基礎上獲得間歇沖刷時最大平衡沖刷深度的預測方法。

圖5 不同坐標下間歇與連續(xù)沖刷擬合曲線Fig.5 The intermittent and continuous scouring fitting curve under different coordinates

從圖5中的試驗數(shù)據(jù)點可以看出，Y的值隨X的正方向依次呈現(xiàn)指數(shù)形式的單調遞減狀態(tài),因此可以通過指數(shù)函數(shù)來擬合試驗數(shù)據(jù)點。設定指數(shù)函數(shù)關系式后，通過試驗數(shù)據(jù)反復擬合后得出間歇沖刷時最大平衡沖刷深度的預測公式為

(4)

5 結論

本文通過螺旋槳洗流在實體式碼頭前沿砂土海床上間歇沖刷試驗得出以下結論：

(1)提出了一種螺旋槳洗流沖刷試驗新方法，并通過模型驗證保證其可靠性。

(2)最大的平衡沖刷深度位于螺旋槳軸線與碼頭面相交的位置處。

(3)與同等試驗條件下的連續(xù)沖刷相比，間歇沖刷會加深沖刷坑的深度，且加深的范圍介于1.3%～24.8%之間，隨著螺旋槳到碼頭面距離的增大，間歇沖刷引起的沖刷深度的增加越明顯。

(4)提出了預測螺旋槳間歇沖刷時最大沖刷深度的經驗公式。該公式為無量綱公式，可推廣應用到實際螺旋槳洗流的間歇沖刷情況中。

[1] Hamill G A , Johnston H T， Stewart D P. Propeller wash scour near quay walls[J]. J. Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, ASCE, 1999, 25(4): 170-175.

[2] Fuehrer M ，Romisch K. Effects of modern ship traffic on islands and ocean waterways and their structures[C]In: Inland Navigation. Proceedings of the 24th PIANC Congress, Leningrad. Belgium: PIANC Brussels, 1977.

[3] Verhey H J. The stability of bottom and banks subjected to the velocity in the propeller jet behind ships[C]Antwerp. The 8th International Harbour Congress.Belgium:[s.n.], 1983.

[4] Hamill G A , McGarvey J A ， Hughes D A B. Determination of the efflux velocity from a ship's propeller[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers: Maritime Engineering, 2004, 157 (2): 83-91.

[5] 李勇，王元戰(zhàn)，張寶華，等. 螺旋槳射流對拋石基床沖刷的數(shù)值計算[J]. 水道港口,2013(3):185-192.

LI Y, WANG Y Z, ZHANG B H, et al. Numerical simulation of flushing action on rubble bed under scouring effect of ship stern flow[J]. Journal of Waterway and Harbor,2013(3):185-192.

[6] Chin O C, Chiew Y M, Lim S Y, et al. Jet scour around vertical pile[J]. J. Wtrwy., Port, Coast., and Oc. Engrg., ASCE, 1996, 122(2): 59-67.

[7] Laurens Schokking. Bowthruster-induced Damage[D]. The Netherlands: Delft University of Technology, 2002.

[8] Ayse Yuksel. Jet scour around vertical piles and pile groups[J]. Ocean Engineering, 2005, 32: 349-362.

[9] 謝智凱.碼頭岸壁距離對船舶螺槳水流引致底床淘刷影響之試驗探討[D]. 臺北：國立臺灣海洋大學, 2004.

[10] 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.

[11] Blaauw H G ，Kaa E J van de. Erosion of bottom and sloping banks caused by the screw race of manoeuvring ships[M]. Delft :WL publication ,1978.

[12] Quarrain R M M. Influence of the sea bed and the bed geometry on the hydrodynamics of the wash from a ship's propeller[D]. Canada: the Queen's University ，1994.

[13] Charmaine Kee, Gerard A Hamill, Wei-Haur Lam，et al. Investigation of the Velocity Distributions within a Ship's Propeller Wash[C]International Society of Offshore and Polar Engineering Conference .In Proceedings of the Sixteenth International Offshore and Polar Engineering Conference. San Francisco：[s.n.],2010.

Experimental study on intermittent propeller wash scour near solid wharf on the sandy seabed

SHIYu,LIJun-hua,LIUWen-bai,HANDing-jun

(CollegeofOceanScienceandEngineering,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai201306,China)

With the use of high power engine on the ship and the improvement of ship performance, the scour of propeller washing around the solid building is becoming one of the important parts of the washing research. Firstly, a set of integrated test equipment was developed in this paper. Then the study on the intermittent scouring of thed50=0.7 mm-sandy seabed near the solid quay was carried out by using the equipment. It is found that the ultimate scour depth in intermittent souring is deep in comparison with continuous scouring, and the deepening range is from 1.3% to 24.8% under the same experimental conditions. The scour depth is deeper when the length of a single scouring time is shorter and scour times are more. And the larger the distance from the propeller to the wharf surface is, the greater the increase of scour depth caused by intermittent scour is. Finally, a method for quantitative prediction of intermittent scour depth was proposed to provide the theoretical support for the protection against intermittent scour on the sandy seabed near the solid wharf.

propeller scour; intermittent scour; scouring depth; sandy seabed

2017-02-13；

2017-03-01

國家自然科學基金(51209133)

施雨(1992-)，女，上海市人，碩士研究生，主要從事港口、海岸及近海結構、巖土工程方面研究。

Biography：SHI Yu(1992-),female, master student.

TV 142；U 65

A

1005-8443(2017)05-0458-06