УДК 62

Экспериментальные исследования взаимодействия волн с проницаемой тонкой стенкой

Власова Вера Сергеевна – студент Российского университета дружбы народов

Алексеева Анастасия Дмитриевна – студент Российского университета дружбы народов

Мордвинцев Константин Петрович – кандидат технических наук, доцент Российского университета дружбы народов

Аннотация: Целью моих экспериментальных исследований было изучения взаимодействия волн с проницаемой тонкой стенкой и определение коэффициента гашения проницаемых стенок разных типов. За основу достижения поставленной цели я взяла метод физического моделирования. Для экспериментов использовались: волновой лоток с волнопродуктором и насосом, ноутбук с программой для генерации волнения, координатные сетки и 6 различных по характеристикам макетов перфорированных тонких стенок. С помощью измерения длин и высот волн перед тонкой стенкой и после тонкой стенки были определены коэффициенты гашения проницаемых тонких стенок с различной ориентацией перфорации и различной сквозностью.По окончании серии экспериментов из шести макетов был выбран самый эффективный в работе по гашению волновой энергии, а также сделаны выводы, которые в дальнейшем помогут внедрить в практическое использование данный вид берегозащитного сооружения.

Ключевые слова: перфорированная тонкая стенка, параметры волны, сквозность, волновой лоток, частота, проницаемое сооружение, коэффициент гашения.

На сегодняшний день для защиты береговой линии используются волноне проницаемые конструкции сооружений. Использование данных сооружений обеспечивает достаточно эффективную защиту берегов, однако ухудшают экологические условия в прибрежной зоне из-за нарушения водообмена. Также необходимо отметить, что большинство непроницаемых сооружений обеспечивают практически полное гашения волн, воздействующих на берега. В тоже время для защиты берегов не требуется полное гашение волны, достаточно снижения их воздействия на берега до безопасного уровня с точки зрения его размыва. Опыт показывает, что снижение высоты волны в 3 раза достаточно для предотвращения размыва берегов. Именно по этим причинам я решила повести исследования по использованию сооружений перфорированного типа.

Экспериментальные исследования выполнялись в волновом лотке марки S6-MkII в лаборатории гидравлики Инженерной академии «Российского университета дружбы народов», который оснащен волнопродуктором и насосом (фото 1).

Фото 1. Волновой лоток марки S6-MkII в лаборатории гидравлики.

Технические характеристики лотка:

• ширина лотка = 0,3 м;
• высота лотка = 0,45 м;
• наклон лотка = 0°;
• скорость лотка, max = 30 л/сек.

Измерение параметров волн осуществлялось с помощью координатных сеток, которые были прикреплены к стенкам лотка. Сетки были предусмотрены двух типов: 0,05 х 0,05 м и 0,02 х 0,02 м.

Течение создавалось с помощью насосной установки, а волнение генерировалось стационарным волнопродуктором (тип – «качающийся щит»), который располагается у торцевой стенки лотка. К волнопродуктору был подключен компьютер с установленной программой «HR WaveMaket», которая позволяет сгенерировать волнение в лотке при подборе определенных частот и высот волн.

Всего было выполнено четыре серии опытов, которые включили в себя 189 опытов. Каждый опыт повторялся не менее трех раз.

Модели проницаемых тонких стенок были сконструированы из дерева в количестве шести штук различной сквозности и с разной ориентацией перфорации по отношению к потоку воды (рисунок 1).

а)

б)

Рисунок 1. Пример макета проницаемой тонкой стенки сквозностью 50%

а) с вертикальной перфорацией; б) с горизонтальной перфорацией

Для более углубленного изучения взаимодействия волн с перфорированными тонкими стенками для экспериментов было выбрано три сквозности, которые рассчитываются по формуле (1):

Сквозность = (а_отв ∙ в_отв ∙ n_отв) / (а_ст ∙ в_ст) ∙ 100%

(1)

где: а_отв – длина отверстия в перфорированной тонкой стенке, м;

в_отв – ширина отверстия в перфорированной тонкой стенке, м;

n_отв – количество отверстий в перфорированной тонкой стенке, шт;

а_ст - длина перфорированной тонкой стенки, м;

в_ст - ширина перфорированной тонкой стенки, м.

Максимальная сквозность подобрана исходя из того, что % отверстий в конструкции приближен к % второстепенных балок (препятствий) и постепенно уменьшается, чтобы был диапазон экспериментальных значений для более подробной аналитики.

Сквозность _макс.= (0,45 ∙ 0,02 ∙ 7) / (0,45 ∙ 0,3) = 0,51 ∙ 100% ≈ 50%

Сквозность _сред. = (0,45 ∙ 0,01 ∙ 10) / (0,45 ∙ 0,3) = 0,33 ∙ 100% ≈ 33%

Сквозность _мин. = (0,45 ∙ 0,005 ∙ 12) / (0,45 ∙ 0,3) = 0,20 ∙ 100% ≈ 20%

Было выбрано три уровня воды в лотке, чтобы рассмотреть взаимодействие проницаемых тонких стенок с волнами при разных глубинах:

• максимальная глубина (H_макс) = 0,33 м;
• средняя глубина (H_ср) = 0,29 м;
• минимальная глубина (H_мин) = 0,20 м

Данный разброс в глубине помог понять, будет ли сила трения волны о дно лотка влиять на гашение волновой энергии совместно со стенками.

Схема экспериментальной установки “пустой лоток” представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки “пустой лоток”.

Было проведено и зафиксировано на видео 27 экспериментов на пустом лотке (фото 2).

Фото 2. Волнение в пустом лотке.

Схема экспериментальной установки “проницаемая тонкая стенка в лотке” представлена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема экспериментальной установки “проницаемая тонкая стенка в лотке”.

Было проведено и зафиксировано на видео 162 экспериментов по взаимодействию волн с перфорированными тонкими стенками различной сквозности (фото 3-4).

Фото 3. Взаимодействие проницаемой тонкой стенки с горизонтальной перфорацией сквозностью 50% с волнами.

Фото 4. Взаимодействие проницаемой тонкой стенки с вертикальной перфорацией сквозностью 20% с волнами.

Фото 5. Взаимодействие проницаемой тонкой стенки с горизонтальной перфорацией сквозностью 33% с волнами.

В результате проведенных экспериментов были получены видео и фотоматериалы, по которым проведена оценка эффективности гашения волны перфорированной тонкой стенкой.

По результатам обработки фото и видео материалов получены высоты волн до и после прохождения перфорированной стенки. Обработка велась с помощью масштабирования фотоматериалов, что является вынужденным, так как, при проведении экспериментов специализированные датчики отсутствовали.

Параметры подходящей волны брались из экспериментов с «пустым» лотком, что позволило исключить влияние отраженной волны.

Были рассчитаны необходимые параметры волн:

Крутизна волны (2):

ɛ = h_ср. / L_ср.

(2)

где:

h_ср. – средняя высота волны, м;

L_ср. – средняя длина волны, м.

Коэффициент гашения волны (3):

Δ = h_{ср. до ст.} / h_{ср. после ст.}

(3)

где:

h_{ср. до ст.} – средняя высота волны до стенки, м;

h_{ср. после ст.} – средняя длина волны после стенки, м.

Для построения графиков, которые наглядно демонстрируют эффективность работы тонкой перфорированной стенки, все результаты эскпериментов были осреднены (таблицы 1 – 2). По результатам осреднения построены графики 1 - 2 для визуального восприятия результатов экспериментов.

Таблица 1. Осредненные результаты экспериментов тонкой перфорированной стенки сквозностью 50%.

Уровень воды, м		Частота, Гц		Сквозность 50%
				Верт. перфорация					Горизонт. перфорация
				Ср.длина волны, м	Ср. высота волны до стенки, м	Крутизна	Ср. высота волны после стенки, м	Коэффициент гашения	Ср.длина волны, м	Ср. высота волны до стенки, м	Крутизна	Ср. высота волны после стенки, м	Коэффициент гашения
Н1	0,330	ν1	0,8	1,830	0,095	0,052	0,090	1,056	1,830	0,095	0,052	0,080	1,188
		ν2	1,3	0,878	0,080	0,091	0,076	1,053	0,878	0,080	0,091	0,068	1,171
		ν3	1,9	0,448	0,037	0,082	0,032	1,134	0,448	0,037	0,082	0,028	1,294
Н2	0,290	ν1	0,8	1,845	0,113	0,061	0,093	1,223	1,845	0,113	0,061	0,085	1,333
		ν2	1,3	0,895	0,090	0,101	0,075	1,200	0,895	0,090	0,101	0,070	1,286
		ν3	1,9	0,442	0,052	0,117	0,043	1,192	0,442	0,052	0,117	0,038	1,348
Н3	0,200	ν1	0,8	1,473	0,090	0,061	0,068	1,330	1,473	0,090	0,061	0,063	1,421
		ν2	1,3	0,792	0,090	0,114	0,072	1,256	0,792	0,090	0,114	0,067	1,350
		ν3	1,9	0,405	0,048	0,119	0,043	1,115	0,405	0,048	0,119	0,039	1,239

Таблица 2. Осредненные результаты экспериментов тонкой перфорированной стенки сквозностью 33%.

Уровень воды, м		Частота, Гц		Сквозность 33%
				Верт. перфорация					Горизонт. перфорация
				Ср.длина волны,  м	Ср. высота волны до стенки, м	Крутизна	Ср. высота волны после стенки, м	Коэффициент гашения	Ср.длина волны, м	Ср. высота волны до стенки, м	Крутизна	Ср. высота волны после стенки, м	Коэффициент гашения
Н1	0,330	ν1	0,8	1,830	0,095	0,052	0,075	1,267	1,830	0,095	0,052	0,070	1,357
		ν2	1,3	0,878	0,080	0,091	0,058	1,371	0,878	0,080	0,091	0,048	1,655
		ν3	1,9	0,448	0,037	0,082	0,027	1,375	0,448	0,037	0,082	0,022	1,642
Н2	0,290	ν1	0,8	1,845	0,113	0,061	0,065	1,744	1,845	0,113	0,061	0,055	2,061
		ν2	1,3	0,895	0,090	0,101	0,060	1,500	0,895	0,090	0,101	0,048	1,862
		ν3	1,9	0,442	0,052	0,117	0,029	1,761	0,442	0,052	0,117	0,025	2,067
Н3	0,200	ν1	0,8	1,473	0,090	0,061	0,050	1,800	1,473	0,090	0,061	0,040	2,250
		ν2	1,3	0,792	0,090	0,114	0,043	2,077	0,792	0,090	0,114	0,038	2,348
		ν3	1,9	0,405	0,048	0,119	0,035	1,381	0,405	0,048	0,119	0,022	2,231

Таблица 3. Осредненные результаты экспериментов тонкой перфорированной стенки сквозностью 20%.

Уровень воды, м		Частота, Гц		Сквозность 20%
				Верт. перфорация					Горизонт. перфорация
				Ср.длина волны, м	Ср. высота волны до стенки, м	Крутизна	Ср. высота волны после стенки, м	Коэффициент гашения	Ср.длина волны, м	Ср. высота волны до стенки, м	Крутизна	Ср. высота волны после стенки, м	Коэффициент гашения
Н1	0,330	ν1	0,8	1,830	0,095	0,052	0,065	1,462	1,830	0,095	0,052	0,048	1,966
		ν2	1,3	0,878	0,080	0,091	0,035	2,286	0,878	0,080	0,091	0,027	3,000
		ν3	1,9	0,448	0,037	0,082	0,020	1,833	0,448	0,037	0,082	0,013	2,895
Н2	0,290	ν1	0,8	1,845	0,113	0,061	0,043	2,615	1,845	0,113	0,061	0,038	2,957
		ν2	1,3	0,895	0,090	0,101	0,043	2,077	0,895	0,090	0,101	0,032	2,842
		ν3	1,9	0,442	0,052	0,117	0,023	2,214	0,442	0,052	0,117	0,017	3,100
Н3	0,200	ν1	0,8	1,473	0,090	0,061	0,033	2,700	1,473	0,090	0,061	0,028	3,176
		ν2	1,3	0,792	0,090	0,114	0,028	3,176	0,792	0,090	0,114	0,022	4,154
		ν3	1,9	0,405	0,048	0,119	0,023	2,071	0,405	0,048	0,119	0,010	4,833

График 1. Зависимость коэффициента гашения волны от сквозности стенки при различных крутизнах волн (вертикальная перфорация).

График 2. Зависимость коэффициента гашения волны от сквозности стенки при различных крутизнах волн (горизонтальная перфорация).

Из приведенных результатов экспериментов экспериментальных исследований взаимодействия волн с проницаемой тонкой стенкой (таблицы с результатами и графики) могут быть сделаны следующие выводы:

1. Горизонтальная перфорация тонкой сквозной стенки более эффективна для гашения волн, чем вертикальная перфорация независимо от сквозности.
2. Чем меньше процент перфорации тонкой стенки, тем эффективнее ее работа.
3. Использование стенок со сквозностью более 50% бесполезна.
4. Крутизна волны оказывает влияние на коэффициент гашения только при использовании тонкой проницаемой стенки с горизонтальной перфорацией.
5. Значение длины волны имеет место быть для гашения волн только в проницаемой тонкой стенке с горизонтальной перфорацией.
6. Самой значимой характеристикой волны для эффективного гашения является высота волны, которая способствует гашению при любой перфорации и сквозности.

Исходя из этих выводов, считаю, что самой эффективной в работе по гашению волновой энергии показала себя проницаемая тонкая стенка с горизонтальной перфорацией сквозностью 20%.

Список литературы

1. СП 58.13330.2019. Гидротехнические сооружения.
2. Кулев С.Б. Проблемы защиты берегов российского сектора Черного моря: 25.00.28: Океанология: диссертация на соискание ученой степени кандидата наук / Куклев Сергей Борисович; Геленджик. – Геленджик, 2003. – 116 c.
3. Колесников Ю.М. Исследование взаимодействия волн с перфорированной вертикальной стенкой // Исследование взаимодействия волн с перфорированной вертикальной стенкой. – № 11. – 2019. – С. 42-46. - http://dx.doi.org/10.34831/EP.2019.11.55558.
4. Kondo H. Reflection and transmission of shallow water waves at the pervious coastal structures on solid step / Proc. XX Cong. Int. Ass. Hyd. Res. - URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209044792100424X (дата обращения: 15.02.2023).
5. Леонова А.М. Методика определения коэффициентов гидравлического сопротивления проницаемых волногасящих гидротехнических сооружений: 05.23.16: Гидравлика и инженерная гидрология: диссертация на соискание ученой степени кандидата наук / Леонова Анна Николаевна; Сочи. – Санкт-Петербург, 2006. – 134 c.
6. Леонова А.Н. Взаимодействие волн с проницаемыми волногасящими гидротехническими сооружениями. – Краснодар: б.и., 2015. – 87 c. – ISBN 978-5-8-333-0547-8.
7. Ahmed K. Elsheikh. A comparative study between some different types of permeable breakwaters according to wave energy dissipation / Ahmed K. Elsheikh, Yasser E. Mostafa, Mostafa M. Mohamed, // Ain Shams Engineering Journal. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209044792100424X?via%3Dihub (дата обращения: 15.02.2023).
8. Ивасюк А.Ю. Разработка и обоснование проницаемого вдольберегового берегозащитного сооружения: 05.23.07: Гидротехническое строительство: диссертация на соискание ученой степени кандидата наук / Ивасюк Александр Юрьевич; Москва. – Москва, 2009. – 125 c.
9. Шахин, В.М. Взаимодействие волн с гидротехническими сооружениями в прибрежной зоне моря: 05.23.16: Гидравлика и инженерная гидрология: диссертация на соискание ученой степени кандидата наук; Сочи. – Сочи, 1994. – 186 c.
10. Тлявин Р.М. Проницаемые волногасящие гидротехнические сооружения в жестком каркасе: 05.23.07: Гидротехническое строительство: диссертация на соискание ученой степени кандидата наук / Тлявин Роман Маратович; Сочи. – Сочи, 2006. – 153 c.