船舶尾流流速分布及其作用下抛石基床块石稳定性计算方法研究

摘要

抛石基床作为重力式码头和直立式防波堤的基础，对保证这两种结构形式的稳定具有关键性的作用。近年来，为满足船舶高速化和大型化的要求，船用螺旋桨的推力及其引起的射流流速也在不断增大。很多螺旋桨的射流流速已超过抛石设计起动流速，这会引发射流对抛石基床严重冲刷致使码头基础受损。目前，国内外重力式码头抛石基床遭高速水流冲刷掏空导致局部破坏的现象时有发生，严重影响了码头的工作寿命和使用安全。国内港口、海岸工程规范还未考虑这一破坏因素，所以，船舶尾流对抛石基床的冲刷影响已成为港口工程设计和施工领域亟待解决的问题。
　　 本文以研究船舶尾流冲刷作用下抛石基床块石的稳定性为目的，做了以下研究工作：
　　 (1)通过对比、分析国外物理模型实验结果、理论和经验公式，总结了螺旋桨射流流速分布的基本规律，建议了一组描述船舶尾流流速分布的经验公式。
　　 (2)利用CFD软件Fluent建立螺旋桨射流流场三维数值模型，计算分析了螺旋桨射流流速分布情况，与现有公式进行比对，验证了数值模拟研究的可行性。
　　 (3)建立螺旋桨射流冲刷作用下抛石基床三维数值模型，按一定规律改变螺旋桨在水中的位置，计算并分析了抛石基床影响下螺旋桨射流的流速分布规律，确定了螺旋桨在不同位置处基床表面射流最大流速和受射流冲刷影响最大的位置。
　　 (4)将数值计算结果与基于经验公式的块石稳定性计算方法进行比较，发现数值计算结果考虑了码头岸壁和抛石基床对射流流速分布的影响，以及回流对抛石基床的冲刷作用，能较好地反映真实的冲刷情况。对来流和回流作用下抛石基床表层块石的稳定重量进行分析，发现来流对抛石基床块石稳定性的影响较小，反射回流是引起块石失稳起动和基床破坏的最主要因素，总结了抛石基床遭船舶尾流冲刷的作用机理并介绍了有效的防护措施。