1、水道港dJournalofWaterwayandHarbor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）摘要：采用k-£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r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線平均流速從回流中心向兩側(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

2、挖入式港池內(nèi)的回流運(yùn)動(dòng)特性。關(guān)鍵詞:挖入式港池;數(shù)值模擬；回流;流速分布規(guī)律中圖分類號(hào):TV142;0242.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào):1005-8443（2012）04-0299-04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,長期以來內(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)注的問題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

3、重要的現(xiàn)實(shí)意義。日前，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，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，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了不少。如王家會(huì)等在三維水流數(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)同步對(duì)內(nèi)河挖入式港池進(jìn)行了三維流場的數(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,

4、為挖入式港池的防淤、減淤提供依據(jù)。1物理模型試驗(yàn)長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院在寬1.5m、長30m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定，表面流場采用基于粒子圖像測速技術(shù)的流場實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)（VDMS）量測。試驗(yàn)布置見圖102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)格在垂向上收稿日期：2011-10-26;修回日期：2011-12-12作者簡介:戴勇（1979-）,男，

5、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:DAIYong（1979-）,male,engineer.回流橫軸中心（側(cè)線離橫軸中心距離）1bAA剖面圖測點(diǎn)布置圖1挖入式港池試驗(yàn)布置示意圖Fig.lExperimentalarrangementofdredgedharborbasins圖2立面網(wǎng)格分布圖Fig.2VerticaldistributionofgridL土河道挖入式港池圖3平面網(wǎng)格分布圖Fig.3Planedistributionofgrid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)

6、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)。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A-#兩方程模型?；牧?，控制方程如下連續(xù)方程坐+略)二0dtdxi(1)動(dòng)量方程岑是網(wǎng)）噫汨S*制隨(2)k為程些旦注（伊A）=_L|（+色）票1地亟（業(yè)+業(yè)）*dtdXidXi1dxiJdXjdx,g(3)S方程MpJMpu£)=_±_|(時(shí)&)些+坐住業(yè)(業(yè)+業(yè))-*dtdxidx,1eregJkdXjdXjgk(4)式中:i為時(shí)間；P和分別為密度和分子粘性系數(shù)心和X.分別為速度分量和坐標(biāo)分量;P為修

7、正的壓力；湍動(dòng)粘度內(nèi)可以表示成A和£的函數(shù)，即(5)(5)k2l=P(MEdxkdxk式中*為時(shí)間為湍動(dòng)耗散率，被定義為EF察攀。S和E分別為與湍動(dòng)能K和耗散率，對(duì)2oxkdXk應(yīng)的Prandtl數(shù)，根據(jù)Launder等的推薦值及后來的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模型常數(shù)一般取=0.09=1.44=1.92.=1.0、=1.3。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)來表示各相所占的體積，簡單易行，對(duì)于具有明顯

8、分界面的兩相流動(dòng)，有很好的模擬效果。近年來在水利工程中應(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，通過改變主流流速V、港池軸線與主流流向的夾角。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。4-b工況二-254-c工況三4-d工況四圖4垂線平均流速計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比圖Fig.4Comparisonb

9、etweennumericalresultsandmodeltestdataofaverageverticalvelocity4結(jié)論與展望(1) 采用VOF法和標(biāo)準(zhǔn)K-E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線平均流速從回流中心向兩側(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。參考文獻(xiàn)：:I.許英.劉國龍.黃貴彌.挖入式港池泥沙淤枳試驗(yàn)研究JL江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào).2007.21(6)：1

10、-3.XUY.L1UGL,HUANGGB.Theexcavalrd-inharlxirImsinsedimentationtestiJ.JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnolog),2007,21(6):1-3.2 佛時(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.HASL.SHENXX,CIQI.Inlandexcavaltul-inbasindepositionreductiontest,J.Walertransportationengineering,2(X)5(12):14-18.3

11、王家會(huì).李巖.袁月平.等.挖入式港池水流特性數(shù)值模擬:J.人民此河.2009(6):36-37.WANGJII.1.1Y,YUANYP,etal.Excavated-inbasinflowcharacteristicsnumericalsimulationIJTheYellowRiver,2009(6)：36-37.4 周旦.內(nèi)河挖入式港池水流運(yùn)動(dòng)特性研究Dj.K沙:長沙理工大學(xué).2008.5 周旦.沈小雄.李建習(xí).內(nèi)河挖入式港池回流流速分布規(guī)律初探J.水道港n.2007.28(6):415-417.ZHOUD.SHENXX.LIJX.Inlandexcavated-inbasinflowve

12、locitydistribution.J.JounialofWaterwayandHarbor,2007,28(6):415-417.沈小雄.施時(shí)琳.劉虎英.內(nèi)河挖入式港池間流范圍的試羚研究J.長沙交通學(xué)院學(xué)報(bào).2003.19(6):49-53.SHENXX,IIASL.LIUHY.Cin*ulatingflowinrange-testresearch、j.ChangshaCommunicationsInstitute.2003,19(6):49-53.7吳持恭.水力學(xué)M.北京:人民教行出版社，1979.：8PrandtlL流體力學(xué)概論M匕京:科學(xué)出版It.1984.Numericalsimu

13、lationofcounterflowvelocitydistributionruleindredgedharborbasinDAIYong1,WANGDing-lue2(1Jituifpiii/ProvincialCommunictdionsHanning(uulDesignInstituteCo.Ltd.Nanjing210005,China;l.ColleofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversityNanjing21()098,China)Abstract：Usingk-etwoequationmodel,the3-1)nu

14、mericalmodelofdredgedharborbasinswasestablishedtoanalyzethecharacteristicsofflowfieldatIliedredgedharborbasinsunderdifferentverticalvelocitiesanddifferentangleslx»twrenbasinaxisandmainstreamflow.Thecounterflowvelocitydistributionwasobtained.TheresultsshowthalIheverticalvelocityincreaseswithacorrespondingmainstreamvelocity,andaveragevelocityincreasesgraduallyfromthecentertobothsidesofthebasincross-section.Comparisonbetweenthenumericalresultsandmodeltestdatashowsasatis