戴 勇，王定略

（1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京210005；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

內(nèi)河挖入式港池回流流速分布規(guī)律的數(shù)值模擬

戴 勇1，王定略2

（1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京210005；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

采用k-ε雙方程湍流數(shù)學(xué)模型，建立了三維內(nèi)河挖入式港池?cái)?shù)學(xué)模型，分析了不同主流流速及不同港池軸線與主流流向的夾角對(duì)內(nèi)河挖入式港池內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)特性的影響，獲得了港池內(nèi)回流流速的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明，垂向流速值隨著主流流速的增大也相應(yīng)增大；回流橫軸斷面上各測(cè)線平均流速?gòu)幕亓髦行南騼蓚?cè)逐漸增大。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)的對(duì)比分析表明，數(shù)值模擬能夠較好的模擬內(nèi)河挖入式港池內(nèi)的回流運(yùn)動(dòng)特性。

挖入式港池；數(shù)值模擬；回流；流速分布規(guī)律

挖入式港池具有充分利用岸線，不礙航和不減小河道行洪斷面，港池掩護(hù)條件好等優(yōu)點(diǎn)，是內(nèi)河中應(yīng)用較廣泛的碼頭平面布置型式。但是，內(nèi)河挖入式港池由于河寬突然擴(kuò)大，流速減小，在港池內(nèi)產(chǎn)生回流運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致水流中攜帶的大量泥沙在港池內(nèi)落淤，長(zhǎng)期以來(lái)內(nèi)河（特別是多沙河段）挖入式港池的水流泥沙特性是工程界十分關(guān)注的問(wèn)題［1-2］，因此研究挖入式港池的水流運(yùn)動(dòng)特性對(duì)于認(rèn)識(shí)挖入式港池的淤積特性，優(yōu)化港池的設(shè)計(jì)布置，從而達(dá)到防淤、減淤具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，內(nèi)河挖入式港池內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)特性研究還主要依靠模型試驗(yàn)的方法，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨成熟和計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，數(shù)值模擬花費(fèi)少、速度快、信息完整等優(yōu)點(diǎn)逐步顯示出來(lái)，并逐漸被工程界所接受，成為物理模型試驗(yàn)的重要補(bǔ)充手段。

對(duì)于內(nèi)河挖入式港池的水流特性數(shù)值研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了不少。如王家會(huì)等［3］在三維水流數(shù)學(xué)模型中對(duì)自由水平面位置、垂線平均流速的確定及各方程迭代求解時(shí)的不同修正等方程進(jìn)行探討。周旦［4］應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對(duì)回流區(qū)的表面流速、回流范圍進(jìn)行計(jì)算。

本文綜合考慮各方面的因素，結(jié)合物理模型試驗(yàn)［5-8］，同步對(duì)內(nèi)河挖入式港池進(jìn)行了三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究，以全面了解內(nèi)河挖入式港池的回流流速的分布規(guī)律，為挖入式港池的防淤、減淤提供依據(jù)。

1 物理模型試驗(yàn)

長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院在寬1.5 m、長(zhǎng)30 m的矩形水槽內(nèi)對(duì)挖入式港池內(nèi)的回流流速規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。港池布置在水槽的中部，試驗(yàn)流量由上游的三角薄壁堰測(cè)定，表面流場(chǎng)采用基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)的流場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)（VDMS）量測(cè)。試驗(yàn)布置見(jiàn)圖1。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 網(wǎng)格的生成

在挖入式港池計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格的生成過(guò)程中，網(wǎng)格的布置充分考慮水力要素的變化：水力要素變化大的區(qū)域網(wǎng)格密集，變化平緩的區(qū)域網(wǎng)格疏松（圖2，圖3）。從圖2和圖3中可以看出，在自由面附近，網(wǎng)格在垂向上的密度比其他部分大很多，這是因?yàn)樗|(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度只有在自由表面附近是顯著的，隨著水深的加大，水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度呈指數(shù)衰減，加密網(wǎng)格是為了很好地捕捉自由面附近水流的變化情況，而在其他部分將網(wǎng)格合理的稀疏是為了減少不必要的計(jì)算負(fù)擔(dān)。

圖1 挖入式港池試驗(yàn)布置示意圖Fig.1 Experimental arrangement of dredged harbor basins

圖2 立面網(wǎng)格分布圖Fig.2 Vertical distribution of grid

圖3 平面網(wǎng)格分布圖Fig.3 Plane distribution of grid

2.2 控制方程

本文采用通用性能好且工程中普遍應(yīng)用的k-ε兩方程模型?；牧?，控制方程如下

式中：t為時(shí)間；ρ和μ分別為密度和分子粘性系數(shù)；μi和xi分別為速度分量和坐標(biāo)分量；P為修正的壓力；湍動(dòng)粘度μt可以表示成k和ε的函數(shù)，即

2.3 離散方案及邊界條件

在計(jì)算域中采用有限體積法進(jìn)行控制方程的離散。速度壓力耦合采用SIMPLEC算法。進(jìn)口采用速度邊界條件，由流量以斷面平均流速給出；出口采用給定恒定水位；自由表面的追蹤則采用體積率法（VOF），VOF是用體積率函數(shù)來(lái)表示各相所占的體積，簡(jiǎn)單易行，對(duì)于具有明顯分界面的兩相流動(dòng)，有很好的模擬效果。近年來(lái)在水利工程中應(yīng)用頗多。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本文建立與物理模型試驗(yàn)同樣尺寸的數(shù)值模型，通過(guò)改變主流流速V、港池軸線與主流流向的夾角θ計(jì)算了4種工況，最后所得回流橫軸流速橫向分布與實(shí)測(cè)值的比較如圖4。計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。能夠準(zhǔn)確模擬出垂線流速沿橫向分布規(guī)律，垂向流速值從中間向兩側(cè)逐漸增大，邊壁處比中心的流速變化幅度大；垂向流速值隨著主流流速的增大也相應(yīng)增大。只是在主流流速小的時(shí)候，計(jì)算值與試驗(yàn)值稍有差別，這主要是因?yàn)槟Ｐ途W(wǎng)格以及流體的物理特性的影響。

圖4 垂線平均流速計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比圖Fig.4 Comparison between numerical results and model test data of average vertical velocity

4 結(jié)論與展望

（1）采用VOF法和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型相結(jié)合的方法對(duì)內(nèi)河挖入式港池回流流速分布規(guī)律的模擬是比較成功的。計(jì)算所得回流橫軸流速的橫向分布與物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

（2）回流橫軸斷面上各測(cè)線平均流速?gòu)幕亓髦行南騼蓚?cè)逐漸增大。

（3）鑒于數(shù)值模型具有省時(shí)、省力、節(jié)省費(fèi)用以及修改方便的優(yōu)點(diǎn)，在今后的研究中可以開(kāi)展挖入式港池內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)特性對(duì)泥沙淤積的影響。

［1］許英，劉國(guó)龍，黃貴標(biāo).挖入式港池泥沙淤積試驗(yàn)研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，21（6）：1-3. XU Y，LIU G L，HUANG G B.The excavated-in harbor basin sedimentation test［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology，2007，21（6）:1-3.

［2］韓時(shí)琳，沈小雄，慈慶玲.內(nèi)河挖入式港池減淤措施的試驗(yàn)研究［J］.水運(yùn)工程，2005（12）：14-18. HAN S L，SHEN X X，CI Q L.Inland excavated-in basin deposition reduction test［J］.Water transportation engineering，2005（12）: 14-18.

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［8］Prandtl L.流體力學(xué)概論［M］.北京:科學(xué)出版社，1984.

Numerical simulation of counterflow velocity distribution rule in dredged harbor basin

DAI Yong1，WANG Ding-lue2
（1.Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.，Ltd.，Nanjing 210005，China；2.College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Using κ-ε two equation model，the 3-D numerical model of dredged harbor basins was established to analyze the characteristics of flow field at the dredged harbor basins under different vertical velocities and different angles between basin axis and mainstream flow.The counterflow velocity distribution was obtained.The results show that the vertical velocity increases with a corresponding mainstream velocity，and average velocity increases gradually from the center to both sides of the basin cross-section.Comparison between the numerical results and model test data shows a satisfactory agreement.

dredged harbor basin；numerical simulation；counterflow；velocity distribution rule

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2012）04-0299-04

敬告讀者：本刊開(kāi)通在線投稿系統(tǒng)

2011-10-26；

2011-12-12

戴勇（1979-），男，江蘇省鹽城人，工程師，主要從事港口及航道工程設(shè)計(jì)工作。Biography：DAI Yong（1979-），male，engineer.

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