一種新型護坡結(jié)構(gòu)的消能效果水動力學模擬

羅佳敏，秦 鵬，謝 鋒，王嘉威，張一祁，吳 浩

(浙江水利水電學院 水利與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

隨著我國汽車業(yè)的迅猛發(fā)展，每年產(chǎn)生的廢舊輪胎在以8%～10%的速度急劇增加，已成為當前被我們忽視的一種新污染[1]。據(jù)中國橡膠工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2012年我國輪胎產(chǎn)量為8.92億條，同比去年增長4.2%。同時產(chǎn)生廢舊輪胎2.8億條，首次成為年產(chǎn)廢輪胎量最大的國家[1-2]。一項統(tǒng)計數(shù)字顯示，到2020年，中國廢舊輪胎產(chǎn)量將達2 000萬t。急劇增加廢舊輪胎已經(jīng)形成一定規(guī)模，對環(huán)境構(gòu)成威脅。隨意丟棄或堆積的廢輪胎，既會造成土地資源的浪費，還可能會造成火災等一系列不好的影響，被稱為“黑色污染”[2]。一方面是與日俱增龐大的輪胎產(chǎn)量，另一方面卻是令多地頭疼的廢舊輪胎安全事故及污染問題。近年來，由廢舊輪胎引發(fā)的安全事故屢見報端，廢舊輪胎長期大量堆積，極易引起火災，并容易造成二次污染。

錢塘江作為杭州市一道閃亮的名片，錢江兩岸逐漸成為杭州市重要的經(jīng)濟和文化中心，而錢塘江海塘作為錢塘江的守護者，保衛(wèi)著兩岸人民的幸福生活。然而由于錢塘江海塘大多采用直立式或斜坡式混凝土結(jié)構(gòu)，護坡表面光滑，無法對強大的沖擊浪進行有效的緩沖，錢塘江大潮很容易沖上海塘對堤壩上觀潮的人群生命安全和設施造成嚴重威脅[3-4]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，近20年來，超過100人被錢塘江潮水奪去了生命，其中錢塘潮水吞人最多的是1993年的10月3日，有86人被瞬間沖出堤岸的潮水卷入江中，其中19人死亡，27人受傷，40人下落不明。

針對廢舊輪胎污染環(huán)境和錢塘江大潮“吃人”兩個社會熱點問題，我們對現(xiàn)有的防浪護坡進行創(chuàng)新設計，結(jié)合廢輪胎二次利用的思路發(fā)明了一種防浪廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)(專利授權(quán)號：CN 205975479 U)。這種新型的防浪護坡結(jié)構(gòu)能夠?qū)U舊輪胎進行有效的廢物利用，在承受潮水沖擊時，利用強水流在輪胎群錯落結(jié)構(gòu)的碰撞、旋繞中消減大量沖刷能量的消能原理，能夠達到很好的消能防浪沖擊效果。我們的發(fā)明具有綠色環(huán)保、建造及維護成本低、消能護堤效果顯著等諸多優(yōu)點，得到推廣后每年會給社會帶來巨大的經(jīng)濟價值及社會效益[4]。

1 裝置構(gòu)造及工作原理

1.1 裝置構(gòu)造

防浪廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)由廢輪胎、縱向鋼筋、橫向鋼筋、碎石層、混凝土層、垂直坡面廢輪胎群組成。結(jié)構(gòu)各組件之間的關系：廢輪胎上開設小孔，縱向鋼筋穿過小孔，橫向鋼筋分別與縱向鋼筋焊接，構(gòu)成井字型，廢輪胎及焊接成井字型的縱向鋼筋、橫向鋼筋澆筑在混凝土層中，優(yōu)選廢輪胎外露2/5，廢輪胎交錯布置。廢輪胎、縱向鋼筋、橫向鋼筋位置關系示意圖(見圖1)，防浪廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)整體布置示意圖(見圖2)。

圖1 廢輪胎、縱向鋼筋、橫向鋼筋位置關系示意圖

圖2 防浪廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)整體布置示意圖

1.2 消能原理

防浪廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)主要從三個方面對沖擊海浪進行消能：

(1)廢輪胎內(nèi)部消能。沖擊浪在通過廢輪胎中間空腔時，流態(tài)復雜，相互碰撞、旋繞，能夠消減一部分能量；廢輪胎群協(xié)同消能。

(2)沖擊浪通過廢輪胎外部的垂直向及豎直向廢輪胎群時，宛如進入迷宮，潮水在廢輪胎群的縫隙中相互碰撞，從而消減大量能量；

(3)廢輪胎結(jié)構(gòu)消能。由于廢輪胎具有一定的彈性，在海浪沖擊作用下會產(chǎn)生一定的反作用力，也能夠消減海浪一部分動能，同時由于輪胎具有彈性的材料特質(zhì)，使得廢輪胎護坡比混凝土材質(zhì)護坡具有更強的使用耐久性。

2 水動力學數(shù)值模擬試驗

采用FLOW-3D對廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)進行水動力學數(shù)值模擬試驗，考慮廢輪胎排列布置的交錯性，故采用三維非恒定流數(shù)值模擬，以較為真實的重現(xiàn)出實際情況。FLOW-3D依托其獨有的True VOF方法，可以較為準確的捕捉兩相流中自由水面的變動，采用標準的立方體(長方體)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對于局部復雜的體型變化捕捉需要一定的網(wǎng)格尺度，就可以較好的對固體邊界進行擬合[5]。

考慮廢輪胎排列布置的交錯性，故采用三維非恒定流數(shù)值模擬，以較為真實的重現(xiàn)出實際情況。

2.1 控制方程

三維水動力數(shù)學模型是水體流動過程的完整描述，主要控制方程包括：

連續(xù)方程：

(1)

水動力學方程：

(2)

(3)

(4)

紊流模型采用k-ε模型：

(5)

(6)

(7)

(8)

其中：u、v、w分別為x、y、z方向流速；υh、υt分別為水平方向和垂向紊動粘性系數(shù)；ρ為密度；p為壓強；fx、fy、fz分別為x、y、z方向的體積力分量；k為紊動動能；ε為紊動動能耗散率[6-8]。

2.2 三維模型的建立

使用專業(yè)三維建模軟件Rhinoceros對防浪廢輪胎護坡(部分)與傳統(tǒng)護坡結(jié)構(gòu)建模。防浪廢輪胎護坡(部分)與傳統(tǒng)護坡結(jié)構(gòu)的三維模型(見圖3)。

FLOW-3D使用立方體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對計算區(qū)域進行劃分，保證準確的捕捉自由水面的變動。FLOW-3D計算的網(wǎng)格劃分(見圖4)。

圖3 防浪廢輪胎護坡(部分)與傳統(tǒng)護坡結(jié)構(gòu)的三維模型

圖4 FLOW-3D計算的網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件及初始條件

按照水槽的尺寸建立數(shù)值水槽，水體蓄水位達到25 cm，閘孔開度控制為10 cm。數(shù)值水槽的壁面設置為Wall。數(shù)值模擬水槽的初始狀態(tài)和邊界條件(見圖5)。

2.4 數(shù)值計算結(jié)果

選取相同水力條件、相同水流沖擊時間節(jié)點(本文為試驗開始后第5 s)進行圖像截取，水槽試驗及數(shù)值模擬計算結(jié)果(見圖6)。圖中第一組為傳統(tǒng)護坡結(jié)構(gòu)防沖刷效果的水槽試驗和其數(shù)值模擬試驗；第二組為橫向排列型廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)的防沖刷效果水槽試驗和其數(shù)值模擬試驗；第三組為縱向排列型廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)的防沖刷效果水槽試驗和其數(shù)值模擬試驗。(相同水流沖刷條件、相同對比時間)。

圖5 數(shù)值模擬水槽的初始狀態(tài)和邊界條件

由圖中可以看出，與傳統(tǒng)護坡結(jié)構(gòu)相比，防浪廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)在承受潮水沖擊時，利用強水流在輪胎群錯落結(jié)構(gòu)的碰撞、旋繞中消減大量沖刷能量的消能原理，能夠達到很好的消能防浪減緩沖擊的效果。數(shù)值模擬計算與水槽試驗結(jié)果較為吻合，證明了廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)防浪抗沖刷的可行性。

圖6 數(shù)值模擬計算與水槽試驗結(jié)果對比

3 結(jié) 論

(1)采用FLOW-3D軟件對傳統(tǒng)護坡結(jié)構(gòu)、橫向排列型廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)、縱向排列型廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)進行水動力學數(shù)值模擬試驗，并與真實水力試驗成果進行對比，并將計算結(jié)果與水槽試驗進行對比，對比結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)護坡結(jié)構(gòu)相比，新型的防浪廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)能夠達到很好的消能防浪減緩沖擊的效果，而且縱向排列型廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)的消能效果要好于橫向排列型廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)的消能效果。

(2)防浪廢輪胎護坡結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對廢輪胎的二次利用，綠色環(huán)保，同時能夠有效的抵御浪潮對堤防、海塘等水工建筑物的沖擊，具有重要的使用和推廣意義。