基于PIV技术不同形式防波堤周围涡旋场特性研究

郄禄文，杜闯，张翔，蒋学炼

（1.河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002；2.天津城市建设学院 天津 300384）

PIV（Particle Image Velocimetry），又称粒子图像测速法，是20世纪70年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的基于流场图像分析的非接触式二维流场测量技术。PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如LDV）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场，有能够实现无扰动精确有效测量二维流场的流速分布形式的特点。粒子成像测速技术是流场可视化研究中的一个最新发展，它是伴随着光纤、微电子、激光、数字信号处理和图形图像处理等高新技术的发展而发展起来的，目前在各领域应用得非常广泛。

多年来，涡旋波流动的理论和应用研究一直受到很多学者的关注。但由于早期实验流体力学理论和测试技术的限制，以前的研究者大都采用相机对流场进行拍照的实验手段，对涡旋波流场进行了一些定性的分析和比较，还未能获得涡旋波形成机理的精确描述。Pedley等（1985）用平行光对上壁面周期性压缩的槽道内流体进行拍照，观察并得到了涡流波流场的静态照片。Sobey（1985）用配有250W闪光灯的尼康相机在周期震荡的流体经过的槽道中，用荧光珍珠粉作为示踪粒子，在柯达胶卷上拍摄了涡旋波流场的静态照片，定性的分析了涡旋波流场的特性。PIV技术在不干扰槽道内部原始流场分布的状态下进行流速测定，具有较高的准确度和精确性。刘凤霞等（2006）运用PIV技术分析出涡旋波流场的速度和剪力分布。刘爱华等（2006）运用PIV技术分析了涡流中间包流场的特性，分析得出了一些重要的结果。董敏（2007）利用PIV技术研究破碎波对直墙建筑物作用过程，对破碎波作用力特点进行研究。龙晓警（2009）研究了PIV技术在水槽波浪中的研究，分析了整个测试流场的瞬时速度场。袁德奎（2004）对半圆型防波堤水动力学特性进行了数值模拟的方法和应用研究。刘长根等人研究了用时变雷诺方程模拟孤立波与有台阶的半圆型防波堤的相互作用，并研究了SPH方法在水波与半圆型防波堤之间作用。

深水防波堤周围流场存在复杂的紊动变化，防波堤较容易发生破坏。本文采用PIV流场测试技术，对周期性规则波流经防波堤槽道所对应的流场进行了实验测试研究，获得了规则波流场的瞬时速度分布。通过对实验数据的分析和整理，定量地研究了防波堤堤身前后涡旋波流场的特性。

1 实验设计与参数

1.1 实验布置与流程

实验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室进行。实验流程见图1、图2。实验装置主要由四部分组成：槽道、往复泵，PIV系统和外触发装置。槽道由有机玻璃制成，以实现流动可视（图 3）。

实验模型拟采用三种堤型：直立堤、1/4圆弧堤、半圆堤断面型式（图4-图6）。

图1 PIV系统示意图

图2 PIV实验流程图

图3 实验现场图

图4 直立堤断面示意图

图5 1/4圆弧堤断面示意图

图6 半圆堤断面示意图

表1 防波堤实验波浪水力条件

如图7试验时的采集点位于No.4和No.5，当图左侧造波机开始造波，波浪经过No.5号波高仪，并在终端上反应出3个完整波浪周期图像时，开始采集；当终端屏幕上全部呈现周期规则波浪图像时，停止采集。波高仪采集间隔0.02 s，数据截选时间16 s，即800次的样本采集所得到的数据区间。图7右侧采用碎石搭建斜坡，用于消减回浪，避免二次浪干扰实验数据。

1.2 涡量的定义

涡量是一个矢量，在数值上等于速度矢量的旋度，其定义如下：

式中：Ω为流场中量测点上的涡量值，U、W分别为水质点的水平速度与垂直速度，而其计算的方法则是利用中心差分而得：

图7 实验布置示意图

其中：Ωp为位置在（i，k）时之涡度值，i，k分别代表x，z方向的阵列码。Ωp为正值时，表示涡流逆时针旋转；Ωp为负值时，表示涡流顺时针旋转。

2 实验数据处理及分析

利用PIV技术方法，本实验对6种工况进行断面波浪实验，每种工况采集45个瞬时（间隔0.15 S）时刻各测点的速度值，采样区测点数目分布为48×35=1 680个测点。对测点速度值和涡量值进行分析，得到该时刻速度场图和涡量场等值线图。

2.1 速度与涡量的相对关系

通过对计算机采集的测点实验数据，可得每一时刻各测点的速度值，并进而可计算观测区各点涡量及涡量场的分布。图8是半圆堤在第一种水力状态下的同一帧的速度场，涡量场云图和涡量场的对比。

由图8可以观察得出速度集中和速度变化率较高的地方，容易形成涡量值高的区域。同时也印证了前面的公式，速度与涡量之间的内在联系。

2.2 波面过程与涡量分布

试验时PIV都采集3 S，为得到大约3个周期的过程，对应45帧则是每帧间隔1/15 S。波面和PIV图像是同时采集的，但位置并不完全重叠。波高仪可监测反射系数和透射系数，以便比较不同涡流情况下的反透射变化。波高仪采集次数为800次，间隔0.02 S。如图9所示。

实验测得半圆堤波面过程曲线和涡量值代数均值曲线，如图10、图11、图12所示。

以上结果看出，涡量代数均值曲线和波面过程曲线并不重合，并得到如下规律：

图9 采集数据区域图

图10 水力条件1下半圆堤迎、背浪面波况与涡量代数均值曲线

图11 水力条件2下半圆堤迎、背浪面波况与涡量代数均值曲线

图12 水力条件4下半圆堤迎、背浪面波况与涡量代数均值曲线

（1）堤前波面过程曲线与堤后曲线呈相反分布。

（2）波浪的波高变化并不会改变涡量代数均值曲线和波面过程曲线的相关性，但相关性变得更加明显。

（3）波浪的不同周期影响了原有涡量代数均值曲线和波面过程曲线的相关性。

2.3 涡量数值特性分析

2.3.1 随机测点涡量代数值分析

为了探讨涡量值的形成规律，分析半圆堤背浪面随机挑选不同行不同列测点（同列测点1，测点2，测点3的水深是依次加大；同行测点1，测点2，测点3依次远离防波堤），在采样时间段内的堤前与堤后涡量值曲线图，采样时间内的涡量代数值曲线具有相同的规律，同列测点间的曲线满足同一规律，曲线的走向近似相同。1/4圆弧堤、直立堤情形呈现相同规律。

图13 半圆堤同行、同列随机测点涡量代数值曲线图

2.3.2 涡量代数值最值分析

随后对相同水力条件下三种防波堤迎浪面和背浪面的涡量最值进行分析。在采样区间内，分别得出每一帧的最大值和最小值曲线图，如图14、图15所示。

三种防波堤的实验结果定量分析表明，迎浪面区域，半圆堤产生的涡量最大值和最小值分别是1/4圆弧堤的86%和117%。背浪面区域，半圆堤产生的涡量最大值和最小值分别是1/4圆弧堤的40%和30%，直立堤产生的涡量最大值和最小值分别是1/4圆弧堤的31%和33%。

2.3.3 涡量均值分析

对水力条件1下，三种防波堤在采样区间内每一帧上所对应的采样区间上所产生的涡量均值进行分析。将45帧平均值绘成曲线图，如下：

图14 半圆堤、1/4圆弧堤、直立堤迎浪面最值曲线图

图15 半圆堤、1/4圆弧堤、直立堤背浪面最值曲线图

由图16可以看出，均值曲线均呈现出正弦曲线的特性，堤前较堤后特征更加明显。可见，防波堤背浪面贴近防波堤表面的地方，涡旋运动非常微弱，远离防波堤处，底部涡旋运动变得剧烈；迎浪面情况正好与之相反，贴近海面涡量波动剧烈。其他部位测点涡量波动基本一致，并且变化平缓。

2.3.4 不同波高下涡量代数值分析

对于同种防波堤，不同水力条件下，涡量的数值差异研究，本次试验选取了半圆堤，在仅改变波高的情况下，进行数值差异研究（图17、18）。

图16 防波堤迎浪面、背浪面涡量均值曲线

由图17、图18可以看出，波高和涡量代数极值成正相关关系。波高越高，产生的极大值越大（极小值越小）。均值曲线呈正弦曲线特征，迎浪面数值曲线相对背浪面数值曲线较平稳，特征较明显。

2.3.5 不同周期下，三种防波堤的涡量特性分析

分别选取水力条件1和4的实验数据进行涡量数值分析（图19）。

由图19可以看出，当波浪的周期减小时，半圆堤和1/4圆弧堤所产生的涡量积累相应的增加，而直立堤的曲线反映出来的情况正好相反，会随着周期的减小涡量的积累相应的减少。所有的代数均值曲线均反映正弦曲线特征。随着波浪周期降低，在防波堤背面会生成更多的涡量，1/4圆弧堤和直立堤曲线特征表现的比较明显，呈现出正弦曲线的特征。周期的改变对正弦曲线的波动情况影响很大，两条曲线之间近似差了半个周期的距离。

随着波浪周期降低，堤前区域产生了较少的涡旋运动，而堤后正好相反。波浪周期的改变对涡量曲线的周期影响不明显。由图20可以得出，当周期从1.223 s降低为0.996 s（约减少18.6%），涡量代数均值曲线的振幅，半圆堤平均约增加的16%，直立堤平均约减少4.5%。

图17 半圆堤迎浪面三种波高下涡量最小值、最大值、均值曲线

2.4 不同防波堤背浪面涡流形成与分布特性分析

对于三种防波堤而言，涡量的形成的阻碍效果各不相同。而在同种波况下，涡量值偏高的区域也各不相同。

图18 半圆堤背浪面三种波高下涡量最小值、最大值、均值曲线

对于半圆防波堤来说，正涡量区域多集中在采样区的左上部，即贴近防波堤背浪面的区域（图21-1）。而负涡量区域多集中在采样区的中场地带（图21-2）。即远离防波堤的背浪面处多产生顺时针涡旋，中场地带多产生逆时针涡旋。而这些涡旋分布随着时间的推移也会产生相应的移动，正涡量区会向近堤方向移动，原区域变为负涡量区（图21-3）。一段时间后正涡量区又会回到原位，负涡量区回到中场。对于半圆防波堤来说，整个采样时间段内出现0涡量区域的时间较少（图21-4），采样区间大多时间内受到涡旋的影响。

图19 半圆堤、1/4圆弧堤、直立堤背浪面涡量对比

图20 不同水力条件半圆堤、直立堤涡量均值对比

图21-1 半圆堤1帧涡量场

图21-2 半圆堤6帧涡量场

图21-3 半圆堤15帧涡量场

图21-4 半圆堤31帧涡量场

对于1/4圆堤来说，正负涡量区间常伴随出现，并没有明显的正涡量区和负涡量区。开始时正负涡量区间共同出现在采样区的左上侧，即远离防波堤背浪面（图22-1）。随后共同向采样区中上部移动（图22-2），到逐渐消失，最后又回到初始位置（图22-3）。整个周期相对于半圆堤较长。另外相对于半圆防波堤，在整个采样时间段内，采样区域中部为0涡量区域的时刻增多（图22-4），在采样区域内涡旋生成相对于半圆防波堤较弱。

对于直立堤来说，正负涡量区域分布在采样区上部（图23-1），范围较小，正负涡量区伴随出现，随着时间的推移正负涡量区域逐渐变小（图23-2），经过一段时间后恢复初始状态（图23-3）。相对于半圆堤和1/4圆堤，直立堤的采样区域内出现了最多的0涡量区，即采样区间内形成涡旋的区域也相对较少。

图22-1 1/4圆堤1帧涡量场

图22-2 1/4圆堤10帧涡量场

图22-3 1/4圆堤42帧涡量场

图22-4 1/4圆堤13帧涡量场

图23-1 直立堤1帧涡量场

图23-2 直立堤5帧涡量场

图23-3 直立堤26帧涡量场

3 结论

本文利用PIV技术，基于模型实验，对规则波作用下防波堤表面的速度流场及其涡流特性进行了实验研究，通过对不同型式防波堤在不同的水力条件下的波浪流场实验数据的分析，定量地研究了防波堤堤身水域的涡旋流场的水力特性。

（1）区域内受到的波浪运动与区域内产生的涡量成相关性，这种相关性受到波浪周期和频率的影响；防波堤会改变这种相关性。

（2）区域内同一时刻产生的涡量正负极值是对称出现的。

（3）防波堤迎浪面贴近防波堤表面的地方，涡旋运动非常剧烈，远离防波堤处，底部涡旋运动变得微弱，贴近海面涡量波动剧烈。迎浪面情况正好与之相反。

（4）波高和涡量代数极值成正相关关系。周期的增加会影响涡量的积累和产生。周期越小涡旋运动愈多，但是积累增加不大。涡量的均值曲线也满足正弦性质，并且堤前部分特性更加明显。

（5）防波堤底部因涡旋作用对堤底造成滑移影响，1/4圆弧堤较为剧烈，半圆堤次之，直立堤最弱。

（6）三种防波堤在同种水力条件下，在背浪面采集区域内，涡旋运动的迁徙方向和聚集分布基本相似，但是涡旋形成的剧烈程度和涡旋的大小却各不相同。直立堤相对其他两种堤型，背浪面采样局域内涡旋运动相对较弱，迁徙周期相对较短。

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