Metodyka badań doświadczalnych oddziaływania fal morskich ... | Streszczenia Inżynieria

INŻYNIERIAMORSKAIGEOTECHNIKA,nr5/2017

212

Dr inż. Maciej Paprota

Instytut Budownictwa Wodnego PAN w Gdańsku, Zakład Mechaniki Falowania i Dynamiki Budowli

Metodyka badań doświadczalnych oddziaływania fal morskich

z falochronem pneumatycznym

Ochrona akwenów portowych przed przenikaniem w ich

obszar falowania odbywa się poprzez budowę falochronów.

W większości przypadków falochrony projektowane są jako bu-

dowle ciężkie, wymagające ogromnych nakładów inwestycyj-

nych. Zasadne jest zatem poszukiwanie alternatywnych rozwią-

zań konstrukcyjnych, które pozwolą zmniejszyć koszt budowy,

koszty utrzymania oraz bieżących napraw budowli chroniących

przed falowaniem. Atrakcyjną alternatywę dla falochronów tra-

dycyjnych stanowią falochrony pneumatyczne (powietrzne).

Zasada działania falochronu pneumatycznego opiera się na wy-

tworzeniu pionowej przegrody składającej się z pęcherzyków

powietrza, wydobywających się z perforowanego rurociągu po-

sadowionego na dnie morza. Unoszące się pęcherzyki powietrza

zaburzają ruch falowy cząsteczek wody, co prowadzi do dys-

sypacji energii fal przechodzących przez przegrodę powietrzną.

Do największych zalet falochronu pneumatycznego można zali-

czyć prostotę konstrukcji oraz niskie nakłady finansowe w okre-

sie budowy [12]. Istotne jest, że falochron pneumatyczny nie

stanowi przeszkody nawigacyjnej dla jednostek pływających.

Dodatkową zaletą działania falochronu jest generacja prądów

powierzchniowych i przydennych, które mogą poprawiać jakość

wód w obszarach przyległych. Przegroda powietrzna jest także

wykorzystywana jako zabezpieczenie przed rozprzestrzenia-

niem się zanieczyszczeń na powierzchni wody oraz jako ochro-

na przeciwpożarowa w basenach paliw płynnych [6, 7]. Niechęć

do stosowania tego rodzaju rozwiązań w przeszłości wynikała

głównie z istotnych wymagań technicznych kompresorów po-

wietrza oraz wysokich nakładów finansowych potrzebnych do

wytworzenia podwodnej przegrody powietrznej jako falochro-

nu w trybie ciągłym. Problem stanowi także ograniczona liczba

badań naukowych, zarówno teoretycznych, jak i eksperymen-

talnych, poświęconych oddziaływaniu falowania z przegrodami

powietrznymi. Dzisiejsze możliwości techniczne i pomiarowe,

postęp w badaniach ośrodków dwufazowych i ruchu turbulent-

nego oraz możliwość stosowania metod numerycznych w opi-

sie skomplikowanych zjawisk hydrodynamiki skłoniły badaczy

w ostatniej dekadzie do ponownego zajęcia się tematem falo-

chronów pneumatycznych.

Idea falochronu pneumatycznego sięga początków XX wie-

ku. W roku 1907 amerykański inżynier Philip Brasher opatento-

wał innowacyjną metodę ochrony przed działaniem falowania,

polegającą na wytworzeniu pionowej przegrody powietrznej,

którą zastosowano do ochrony pirsu firmy Standard Oil w porcie

El Segundo, USA [4]. Od tego czasu były prowadzone badania

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz Metodyka badań doświadczalnych oddziaływania fal morskich ... i więcej Streszczenia w PDF z Inżynieria tylko na Docsity!

212 INŻYNIERIAMORSKAIGEOTECHNIKA,nr5/ Dr inż. Maciej Paprota Instytut Budownictwa Wodnego PAN w Gdańsku, Zakład Mechaniki Falowania i Dynamiki Budowli

Metodyka badań doświadczalnych oddziaływania fal morskich

z falochronem pneumatycznym

Ochrona akwenów portowych przed przenikaniem w ich obszar falowania odbywa się poprzez budowę falochronów. W większości przypadków falochrony projektowane są jako bu- dowle ciężkie, wymagające ogromnych nakładów inwestycyj- nych. Zasadne jest zatem poszukiwanie alternatywnych rozwią- zań konstrukcyjnych, które pozwolą zmniejszyć koszt budowy, koszty utrzymania oraz bieżących napraw budowli chroniących przed falowaniem. Atrakcyjną alternatywę dla falochronów tra- dycyjnych stanowią falochrony pneumatyczne (powietrzne). Zasada działania falochronu pneumatycznego opiera się na wy- tworzeniu pionowej przegrody składającej się z pęcherzyków powietrza, wydobywających się z perforowanego rurociągu po- sadowionego na dnie morza. Unoszące się pęcherzyki powietrza zaburzają ruch falowy cząsteczek wody, co prowadzi do dys- sypacji energii fal przechodzących przez przegrodę powietrzną. Do największych zalet falochronu pneumatycznego można zali- czyć prostotę konstrukcji oraz niskie nakłady finansowe w okre- sie budowy [12]. Istotne jest, że falochron pneumatyczny nie stanowi przeszkody nawigacyjnej dla jednostek pływających. Dodatkową zaletą działania falochronu jest generacja prądów powierzchniowych i przydennych, które mogą poprawiać jakość wód w obszarach przyległych. Przegroda powietrzna jest także wykorzystywana jako zabezpieczenie przed rozprzestrzenia- niem się zanieczyszczeń na powierzchni wody oraz jako ochro- na przeciwpożarowa w basenach paliw płynnych [6, 7]. Niechęć do stosowania tego rodzaju rozwiązań w przeszłości wynikała głównie z istotnych wymagań technicznych kompresorów po- wietrza oraz wysokich nakładów finansowych potrzebnych do wytworzenia podwodnej przegrody powietrznej jako falochro- nu w trybie ciągłym. Problem stanowi także ograniczona liczba badań naukowych, zarówno teoretycznych, jak i eksperymen- talnych, poświęconych oddziaływaniu falowania z przegrodami powietrznymi. Dzisiejsze możliwości techniczne i pomiarowe, postęp w badaniach ośrodków dwufazowych i ruchu turbulent- nego oraz możliwość stosowania metod numerycznych w opi- sie skomplikowanych zjawisk hydrodynamiki skłoniły badaczy w ostatniej dekadzie do ponownego zajęcia się tematem falo- chronów pneumatycznych. Idea falochronu pneumatycznego sięga początków XX wie- ku. W roku 1907 amerykański inżynier Philip Brasher opatento- wał innowacyjną metodę ochrony przed działaniem falowania, polegającą na wytworzeniu pionowej przegrody powietrznej, którą zastosowano do ochrony pirsu firmy Standard Oil w porcie El Segundo, USA [4]. Od tego czasu były prowadzone badania

INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 5/2017 213 teoretyczne i eksperymentalne, których celem było wyjaśnienie zasady działania falochronów pneumatycznych oraz identyfika- cja mechanizmów odpowiedzialnych za zmniejszenie energii fal przechodzących przez falochron pneumatyczny. Wyniki prac eks- perymentalnych wskazywały, że tłumienie falowania jest zwią- zane głównie z generacją prądów przypowierzchniowych, które płyną w przeciwnych kierunkach, zawsze w stronę od przegro- dy [4]. Pomiary laboratoryjne współoddziaływania fal i prądów wytworzonych przez unoszące się pęcherzyki powietrza posłu- żyły do opracowania teoretycznego modelu transmisji falowania przez falochron pneumatyczny [2]. Model ten był oparty na teorii fal propagujących w obecności prądu [9, 14], przy uwzględnieniu zjawiska załamania fali. Kolejne rozwiązania teoretyczne bazo- wały na zastosowaniu metod numerycznych, takich jak metoda objętości płynu (ang. Volume of Fluid – VOF) [15] i metoda pseu- do-spektralna [12]. Należy w tym miejscu podkreślić, że mode- lowanie oddziaływania falowania z przegrodą powietrzną jest zadaniem trudnym. Wynika to ze złożoności systemu procesów zachodzących w obszarze działania falochronu pneumatycznego. Dlatego też niezmiernie ważnym elementem badań nad falochro- nami pneumatycznymi są pomiary doświadczalne w laborato- rium hydraulicznym wyposażonym w kanał lub basen falowy. Badania eksperymentalne falochronów pneumatycznych po- legają na oszacowaniu współczynnika transmisji i odbicia fal propagujących przez przegrodę powietrzną oraz wyznaczeniu pola prędkości w sąsiedztwie falochronu i określenia jego struk- tury falowo-prądowej. Zastosowanie nowoczesnych technik po- miarowych opartych na anemometrii obrazowej PIV ( Particle Image Velocimetry ) [1], przy użyciu zestawu składającego się z kamery i lasera, umożliwia dokładne pomiary całych pól pręd- kości pęcherzyków powietrza tworzących falochron oraz ich zmienności w czasie. Uzupełniające pomiary prędkości prze- pływu wody w bezpośrednim sąsiedztwie kurtyny powietrznej można wykonać za pomocą prędkościomierza ADV ( Acoustic Doppler Velocimetry ). Do oceny efektywności tłumienia falo- wania przez falochron pneumatyczny wykorzystuje się pomiary zmian powierzchni swobodnej przed i za falochronem za pomo- cą zestawu sond oporowych. FALOCHRON PNEUMATYCZNY W celu prawidłowego zaprojektowania i instalacji modelu fizycznego falochronu pneumatycznego w kanale falowym oraz odpowiedniego ustawienia urządzeń pomiarowych przydatna jest wiedza o procesach fizycznych zachodzących w obszarze działania falochronu. Na rys. 1 przedstawiono schemat ideowy działającego falochronu pneumatycznego. Przegroda powietrzna jest wytworzona przez pionowy prze- pływ powietrza, które wydobywa się z perforowanych rur uło- żonych na dnie zbiornika wypełnionego wodą do określonej głę- bokości (rys. 1). Poruszające się ku górze pęcherzyki powietrza przekazują pęd cząsteczkom wody i generują jej pionowy prze- pływ. W miarę zbliżania się do powierzchni swobodnej pionowy prąd wyhamowuje, generując jednocześnie lokalne wzniesienie poziomu wody w osi przegrody. Nadmiar masy zostaje odpro- wadzony w kierunku od przegrody w postaci prądów powierzch- niowych i przypowierzchniowych. W efekcie, generowany jest ruch cyrkulacyjny wody po obu stronach przegrody powietrznej na obszarze o poziomym zasięgu równym około trzech głębo- kości wody od osi przegrody. Wytworzony w ten sposób system hydrodynamiczny o ustalonej strukturze prądowej, rozumiany jako obszar działania falochronu pneumatycznego, stanowi przeszkodę dla propagujących fal wodnych. Zasada działania falochronu pneumatycznego opiera się na oddziaływaniu falowania i prądów, które są efektem pionowe- go ruchu pęcherzyków powietrza tworzących przegrodę. Fale poruszające się w kierunku przegrody powietrznej wchodzą w obszar działania przypowierzchniowego prądu skierowanego przeciwnie do kierunku ich propagacji. Długość fali porusza- jącej się w obecności prądu przeciwnego ulega zmniejszeniu, a wysokość fali rośnie. Wskutek transformacji fali na prądzie przeciwnym, do przegrody powietrznej dochodzą fale krótsze o zwiększonej stromości. Jeżeli stromość graniczna zostanie przekroczona, fale ulegną załamaniu. W obszarze bezpośrednie- go oddziaływania przegrody, w którym dominuje pionowy ruch mieszaniny wodno-powietrznej, dochodzi do dyssypacji energii falowania. Nieznaczna część energii falowej jest odprowadzana w postaci fali odbitej od przegrody, a pozostała część przecho- dzi za przegrodę. Fala transmitowana o zmniejszonej wysoko- ści porusza się na prądzie zgodnym z kierunkiem jej propagacji i ulega odwrotnej transformacji do tej, która jest udziałem fali podchodzącej. Wysokość fali transmitowanej maleje, a jej dłu- gość rośnie, aż do wartości odpowiadającej fali podchodzącej przed transformacją. Omówione procesy fizyczne, determinu- jące transformację fali na drodze jej propagacji przez obszar działania falochronu pneumatycznego, stanowią punkt wyjścia do odpowiedniego przygotowania stanowiska pomiarowego do badań doświadczalnych w kanale falowym. STANOWISKO BADAWCZE W ramach badań transmisji falowania przez falochron pneu- matyczny w kanale falowym Instytutu Budownictwa Wodnego Polskiej Akademii Nauk (IBW PAN) przeprowadzono pomia- Rys. 1. Transmisja falowania przez falochron pneumatyczny

INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 5/2017 215 pod uwagę długość obszaru działania falochronu pneumatycz- nego (~6 h ), rozstaw sond oporowych ( b ) oraz długość obsza- ru, w którym dominują uboczne efekty hydrodynamiczne ruchu płyty wywoływacza (~3 h ). Przy wyłączonej opcji aktywnego pochłaniania fali odbitej systemu generacji falowania model falochronu powinien być odsunięty od płyty o dodatkową od- ległość (D), aby fala odbita od falochronu nie wróciła do obsza- ru pomiarowego wskutek ponownego odbicia od płyty. W celu poprawnego użycia systemu pomiarowego przedstawionego na rys. 3 pierwsza i druga grupa sond oporowych powinna być ustawiona w odległościach odpowiednio l 1 i l 3 (patrz rys. 3). Rozpiętość grupy sond zależy od ich liczby i rozstawu pomię- dzy nimi. W typowych badaniach doświadczalnych w labora- torium falowym, do określenia parametrów fali podchodzącej, odbitej i transmitowanej, stosuje się grupy dwóch lub trzech sond rozstawionych co 0,15 m lub 0,20 m. Zestaw urządzeń po- miarowych uzupełnia system PIV (do określenia prędkości pę- cherzyków powietrza tworzących przegrodę) oraz sonda ADV (do pomiaru prędkości wody w obszarze przyległym do kurtyny powietrznej). POMIARY Pomiary laboratoryjne falochronu pneumatycznego oraz fal oddziałujących z przegrodą powietrzną można podzielić na dwa podstawowe etapy. Pierwsza część prac doświadczalnych pole- ga na określeniu parametrów przegrody powietrznej bez falowa- nia. W kanale generuje się przegrodę powietrzną przy różnych ustawieniach kompresora. Na rotametrze ustawia się określony wydatek powietrza ( Q ), który jest utrzymywany przez cały okres pomiarów. Po uformowaniu i stabilizacji przegrody powietrz- nej uruchomiony zostaje system PIV w celu dokonania pomia- ru prędkości przepływu pęcherzyków powietrza oraz struktury przestrzennej przegrody. Na rys. 4 przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów przegrody powietrznej dla wydatku powietrza Q = 4 m^3 /h i głębokości wody h = 0,3 m. Kolejnego pomiaru prędkości dokonuje się za pomocą sondy ADV, która podaje wartości trzech składowych wektora pręd- kości w punkcie. Pomiar przeprowadza się w określonej liczbie lokalizacji ( xADV , zADV ) w celu uzyskania przestrzennego obra- zu przepływu wody w obszarze działania falochronu pneuma- tycznego (rys. 3). Na rys. 5 przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów pola prędkości w obszarze sąsiadującym z przegro- dą powietrzną dla wydatku powietrza Q = 4 m 3 /h i głębokości wody h = 0,3 m. Uzyskany obraz struktury pola prędkości wody, odpowia- dający obszarowi działania falochronu pneumatycznego, po- zwala na określenie zasięgu działania falochronu i determinuje późniejszą instalację sond falowych w odpowiedniej odległości od przegrody. Pomiary pola prędkości pęcherzyków powietrza i przepływu wody w obszarze działania falochronu pneumatycz- nego są zalecane, jeśli dostępny jest zestaw urządzeń pomiaro- wych oraz zapewniona odpowiednia infrastruktura laboratoryj- na. Jeżeli możliwości pomiarowe są ograniczone, do określenia kinematyki obszaru działania falochronu pneumatycznego moż- na wykorzystać wzory teoretyczne. Wyczerpujący opis osiowo- -symetrycznych przegród powietrznych oraz zestaw wzorów do obliczeń podstawowych parametrów falochronu pneumatyczne- go można znaleźć między innymi w pracy Brevika i Kristianse- na [3]. Druga część doświadczeń w laboratorium falowym polega na badaniach oddziaływania przegrody powietrznej i propagują- cych fal wodnych generowanych w kanale. Należy pamiętać, że kanał falowy, jak każde urządzenie badawcze, ma swoje ogra- niczenia i wnosi niepożądane efekty. Istotny wpływ na wyniki modelowania fizycznego transmisji falowania przez falochron pneumatyczny mają efekty początku ruchu (przed rozpoczęciem doświadczenia woda jest nieruchoma), prąd powrotny, tłumie- nie na długości kanału, powtórne odbicie fal od płyty wywo- ływacza, generacja dodatkowej fali wolnej oraz wspomniany, zanikający wraz z odległością od płyty wywoływacza, wpływ jej ruchu. Trudności nasilają się, jeżeli badania wymagają uwzględnienia silnych warunków sztormowych, gdzie istotne znaczenie ma nieliniowy charakter fal wodnych. Aby zminima- lizować wpływ niepożądanych skutków ubocznych mechanicz- nej generacji falowania oraz tłumienia fal na długości kanału, model falochronu i urządzenia pomiarowe są instalowane w od- powiedniej odległości od płyty wywoływacza. Czas trwania po- Rys. 4. Pole prędkości w przegrodzie powietrznej pomierzone przy użyciu systemu PIV; h = 0,3 m; Q = 4 m^3 /h Rys. 5. Pole prędkości wody w obszarze działania przegrody powietrznej pomierzone sondą ADV; h = 0,3 m; Q = 4 m^3 /h

216 INŻYNIERIAMORSKAIGEOTECHNIKA,nr5/ szczególnych badań falowych przyjmuje się odpowiednio długi, aby uzyskać ustalone parametry skończonego ciągu falowego. Po określeniu zakresu parametrów falowania do badań, takich jak: wysokość fali ( H ), okres fali ( T ) i odpowiadająca okresowi długość fali ( L ), w pierwszej kolejności przeprowadza się do- świadczenia bez wytworzonej przegrody powietrznej ( Q = 0). Zmiany wzniesienia powierzchni swobodnej są rejestrowane za pomocą zestawu sond oporowych w dwóch lokalizacjach przed i za falochronem pneumatycznym. Sondy grupuje się w niewiel- kich i równych odstępach, co pozwala na późniejszą analizę fal podchodzących i odbitych od przegrody. Następnie, pomiary falowania są powtarzane dla określonych ustawień kompreso- ra – ustalonego wydatku powietrza. Przyjęty sposób postępo- wania pozwala na dokonanie porównania charakterystyki fal oddziałujących z falochronem pneumatycznym i analogicznych warunków falowych w przypadku braku przegrody. Taka proce- dura ułatwia określenie wpływu przegrody na propagujące fale oraz oszacowanie efektywności działania przegrody powietrz- nej jako falochronu pneumatycznego. Na rys. 6 przedstawiono przykładowe wyniki zmian profilu fal zarejestrowanych przez sondy falowe przed i za falochronem pneumatycznym w odnie- sieniu do sytuacji czystej propagacji fal bez przegrody. Na podstawie danych z sond oporowych można oszacować współczynniki transmisji ( KT ), odbicia fali ( KR ) oraz dyssypacji energii falowej w obszarze bezpośredniego oddziaływania prze- grody pneumatycznej i propagujących fal ( KD ). Współczynniki te wyznacza się na podstawie wysokości fali podchodzącej ( HI ), fali odbitej ( HR ), którą uzyskujemy, stosując metody oparte na zapisie z dwóch lub więcej sond w grupie [5, 8] oraz fali trans- mitowanej ( HT ), którą obliczamy, wykorzystując analizę Fourie- ra ciągu fal regularnych propagujących bez i w obecności prze- grody pneumatycznej. Współczynniki te można wykorzystać do oceny efektywności i zasadności stosowania falochronów pneumatycznych w strefie brzegowej morza. Wyniki pomiarów laboratoryjnych stanowią cenne dane, które mogą posłużyć do opracowania, weryfikacji i rozbudowy modeli teoretycznych transmisji fal przez falochron pneumatyczny. PODSUMOWANIE Prowadzone dotychczas badania efektywności falochronów pneumatycznych w tłumieniu falowania potwierdziły możli- wość stosowania przegród powietrznych w inżynierii morskiej dla fal wodnych o ograniczonej długości w stosunku do głębo- kości wody. Tego rodzaju instalacje mogą działać samodzielnie lub mogą być stosowane jako systemy pomocnicze do trady- cyjnych rozwiązań ochrony akwenów wodnych narażonych na działanie fal morskich. Przedstawione w pracy wskazówki do przygotowania badań doświadczalnych transmisji fal przez fa- lochron pneumatyczny pozwolą w sposób efektywny zaplano- wać przyszłe działania laboratoryjne zmierzające do lepszego rozpoznania skomplikowanego systemu procesów hydrodyna- micznych zachodzących podczas przejścia fali przez falochron pneumatyczny. Należy podkreślić, że szczególną wartość mają pomiary pól prędkości, które dostarczają wiele informacji na temat złożonej struktury falowo-prądowej i pozwalają na do- kładniejszy wgląd w mechanizmy dyssypacji energii falowej przegród powietrznych. Informacje uzyskane podczas doświad- czeń w kanale falowym mogą być wykorzystane do oceny efek- tywności i zasadności stosowania falochronów pneumatycznych w strefie brzegowej morza oraz pozwolą na dopracowanie mo- deli teoretycznych jako narzędzi wspomagających projektowa- nie falochronów pneumatycznych. LITERATURA

Adrian R. J.: Twenty years of particle image velocimetry. Experiments in Fluids, 39, 2005, 159-169.
Brevik I.: Partial wave damping in pneumatic breakwaters. Journal of the Hydraulics Division ASCE, 102, 1976, 1167-1176.
Brevik I., Kristiansen O.: The flow in and around air-bubble plumes. International Journal of Multiphase Flow, 28, 2002, 617-634.
Evans J. T.: Pneumatic and similar breakwaters. Proceedings of the Royal Society A, 231, 1955, 457-466.
Goda Y., Suzuki Y.: Estimation of incident and reflected wave in ran- dom wave experiments. Proceedings of the 15th Conference on Coastal Engi- neering, Honolulu, Hawaii, 1976, 828–845.
Jasińska E.: Przegroda powietrzna w basenach paliw płynnych. Roz- prawy Hydrotechniczne, 38, 1977, 139-152.
Jasińska E.: Przegroda powietrzna w basenie paliw płynnych portu Pół- nocnego. Inżynieria Morska, nr 9, 1981
Jolas P.: Contribution à 1‘étude des oscillations périodique des liquides pésants avec surface libre. Houille Blanche 16, 1962, 758-769.
Longuet-Higgins M. S., Stewart R. W.: The changes in amplitude of short gravity waves on steady non-uniform currents. Journal of Fluid Mechanics, 10, 1961, 529-549. Rys. 6. Zapis zmian powierzchni swobodnej wody w czasie przed (a) i za (b) falochronem pneumatycznym, dla fal regularnych T = 0,79 s; H = 0,076 m; Q = 0 (linia ciągła), Q = 4 m^3 /h (linia przerywana) a) b)

Metodyka badań doświadczalnych oddziaływania fal morskich ..., Streszczenia z Inżynieria

Dokumenty powiązane

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz Metodyka badań doświadczalnych oddziaływania fal morskich ... i więcej Streszczenia w PDF z Inżynieria tylko na Docsity!

Metodyka badań doświadczalnych oddziaływania fal morskich

z falochronem pneumatycznym