鄭志飛

MIKE21模型在碼頭工程流場(chǎng)模擬中的應(yīng)用研究

鄭志飛

福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院

利用MIKE21軟件在閩江下游某碼頭工程所在河段建立水流二維數(shù)學(xué)模型，對(duì)碼頭建設(shè)前后流場(chǎng)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，經(jīng)檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果較為合理，其精度可以滿足工程應(yīng)用要求。

MIKE21軟件 碼頭工程 二維數(shù)學(xué)模型

1 引言

福建省位于我國(guó)東南沿海，地處長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲的中間地帶，隔臺(tái)灣海峽與臺(tái)灣省隔海相望，福建省的碼頭岸線資源在全國(guó)名列第一。隨著我省建設(shè)海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)戰(zhàn)略構(gòu)想的逐步推進(jìn)，港口建設(shè)對(duì)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，將起到更為重要的作用。

由于港口碼頭工程占用部分河道，碼頭的支墩和平臺(tái)興建將占用河道的過(guò)洪斷面，前沿停泊水域和回旋水域可能會(huì)給河道的行洪產(chǎn)生一定的影響。本文以閩江某碼頭擴(kuò)建工程為研究對(duì)象，工程所處位置水下地形較為復(fù)雜，加上閩江下游河段受徑流和潮流的雙重影響，水流條件也相對(duì)復(fù)雜。本文利用MIKE21軟件在碼頭工程附近河段建立水流二維數(shù)學(xué)模型，模擬碼頭擴(kuò)建前后工程附近河段的流場(chǎng)變化，為碼頭擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化和施工工藝提出合理化建議。

2 MIKE21模型簡(jiǎn)介

Mike21模型是丹麥水力學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的二維數(shù)學(xué)模擬軟件，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外水動(dòng)力模擬當(dāng)中，取得了較好的效果，是目前國(guó)際上較為先進(jìn)的模型之一。

Mike21是平面二維自由表面流模型，應(yīng)用在河口、海灣以及海洋近岸區(qū)域的水流及水環(huán)境的模擬，可以用來(lái)模擬潮汐動(dòng)力模擬、風(fēng)暴潮、傳熱、鹽流、水質(zhì)、波浪紊動(dòng)、潰壩、海嘯等方面的水流現(xiàn)象。在模擬二維非恒定流的同時(shí)，可考慮干濕變化、密度變化、水下地形、潮汐變化和氣象條件等影響因素。

2.1 模型基本方程[1]

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

2.2 數(shù)值解法

本次計(jì)算利用MIKE21FM非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型[2]中采用的數(shù)值方法是單元中心的有限體積法，如圖1所示?？刂品匠屉x散時(shí)，結(jié)果變量U、V位于單元中心，跨邊界通量垂直于單元邊。有限體積方法中法向通量的計(jì)算是通過(guò)在沿外法向建立單元水力模型，并求解一維黎曼問(wèn)題而得到。模型中采用的時(shí)間差分格式見(jiàn)圖2。

圖1 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型數(shù)值解法示意圖

圖2 時(shí)間差分格式示意圖

3 模型計(jì)算范圍

本次模型計(jì)算范圍上游起自吉安碼頭，下游至過(guò)嶼尾。模擬閩江下游河道全長(zhǎng)5.0km，其中河道面積約3.6km2。為了盡可能準(zhǔn)確反映工程區(qū)的流場(chǎng)，碼頭位置處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。見(jiàn)圖3。

圖3 碼頭建設(shè)前后模型網(wǎng)格剖分圖

碼頭擴(kuò)建工程實(shí)施前，碼頭位置處堤岸較為彎曲，受已建碼頭的阻水影響，靠近左側(cè)堤岸附近水域流速較小。碼頭工程實(shí)施后，新建碼頭平臺(tái)與已建碼頭平臺(tái)連接，碼頭左側(cè)與原堤岸邊界相接，碼頭前沿線以?xún)?nèi)受棧橋及碼頭墩臺(tái)影響，水流阻力增加，因此碼頭前沿線以?xún)?nèi)基本無(wú)過(guò)水能力，為死水區(qū)。為偏安全考慮，本次數(shù)學(xué)模型將新建碼頭前沿線作為碼頭建成后的堤岸邊界，碼頭位置處模型剖分網(wǎng)格見(jiàn)圖4。

圖4 碼頭位置處建設(shè)前后網(wǎng)格剖分圖

4 參數(shù)的確定

4.1 糙率系數(shù)

糙率系數(shù)通過(guò)模型的率定和驗(yàn)證來(lái)確定，并參照一定的經(jīng)驗(yàn)，取值范圍為0.028～0.032。

4.2 渦粘系數(shù)

根據(jù)Smagorinsky公式確定：

式中：U,V為X,Y方向垂線平均流速，△為網(wǎng)格間距，Cs計(jì)算參數(shù)，一般選0.25

4.3 動(dòng)邊界處理

為保證模型計(jì)算的連續(xù)性，采用“干濕判別”來(lái)確定計(jì)算區(qū)域由于潮位漲落產(chǎn)生的動(dòng)邊界、當(dāng)計(jì)算區(qū)域水深小于0.2m時(shí)，該計(jì)算區(qū)域記為“干”，不參加計(jì)算；當(dāng)水深大于0.3m時(shí)，該計(jì)算區(qū)域記為“濕”，重新參加計(jì)算。

4.4 邊界條件

模型中有兩個(gè)邊界，上游閩江干流入口邊界輸入各頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量，下游出口邊界輸入年最低潮位均值。

5 模型計(jì)算

5.1 模型驗(yàn)證

利用河道恒定非均勻漸變流公式的常規(guī)計(jì)算方法推求閩江下游河段不同頻率設(shè)計(jì)洪水對(duì)應(yīng)的水面線和斷面平均流速成果。常規(guī)方法計(jì)算水面線成果與模型計(jì)算水面線成果的對(duì)比見(jiàn)圖5和圖6，斷面平均流速計(jì)算成果的對(duì)比見(jiàn)圖7和圖8。

圖5 50年一遇水面線成果對(duì)比圖

圖6 100年一遇水面線成果對(duì)比圖

圖7 50年一遇流速成果對(duì)比圖

圖8 100年一遇流速成果對(duì)比圖

由常規(guī)算法和數(shù)模計(jì)算的沿程水面線及斷面平均流速成果的比較可以看出，數(shù)模計(jì)算水面線與常規(guī)算法的水面線成果較為一致，計(jì)算斷面平均流速與常規(guī)算法的斷面流速成果吻合較好，證明計(jì)算參數(shù)率定較為準(zhǔn)確，因此利用MIKE21模型模擬計(jì)算碼頭擴(kuò)建前后閩江下游河段的流場(chǎng)變化是可行的。

5.2 方案計(jì)算

為模擬碼頭擴(kuò)建工程實(shí)施前后流速最不利情況，本次模型分別模擬計(jì)算100年一遇和50年一遇設(shè)計(jì)洪水遭遇多年最低潮位均值兩種方案。計(jì)算出河段流場(chǎng)分布情況見(jiàn)圖9～12。

圖9 碼頭建設(shè)前流場(chǎng)圖（50年一遇）

圖10 碼頭建設(shè)后流場(chǎng)圖（50年一遇）

圖11 碼頭建設(shè)前流場(chǎng)圖（100年一遇）

圖12 碼頭建設(shè)后流場(chǎng)圖（100年一遇）

從模型計(jì)算結(jié)果可以看出：發(fā)生50年一遇洪水遭遇多年最低潮位均值時(shí)，碼頭建設(shè)后，碼頭位置河道斷面縮窄，航道水域流速有一定幅度的增加，流速增大幅度約0.02～0.18m/s。碼頭建成后，受平臺(tái)及碼頭墩臺(tái)的阻水影響，碼頭附近河段流場(chǎng)有一定發(fā)生變化，對(duì)碼頭上游左側(cè)局部堤岸有一定沖刷，流速增大幅度約0.02～0.28m/s，碼頭建設(shè)對(duì)碼頭下游右側(cè)局部堤岸也有一定沖刷，流速增大范圍約0.02～0.08m/s。碼頭建設(shè)對(duì)上游流場(chǎng)影響范圍約710m，對(duì)下游流場(chǎng)影響范圍約380m。

發(fā)生100年一遇洪水遭遇多年最低潮位均值時(shí)，碼頭建設(shè)后，碼頭位置河道斷面縮窄，航道水域流速有一定幅度的增加，流速增大幅度約0.03～0.25m/s。碼頭建成后，受平臺(tái)及碼頭墩臺(tái)的阻水影響，碼頭附近河段流場(chǎng)有一定發(fā)生變化，對(duì)碼頭上游左側(cè)局部堤岸有一定沖刷，流速增大幅度約0.03～0.32m/s，碼頭建設(shè)對(duì)碼頭下游右側(cè)局部堤岸也有一定沖刷，流速增大范圍約0.03～0.10m/s。華潤(rùn)水泥碼頭建設(shè)對(duì)上游流場(chǎng)影響范圍約750m，對(duì)下游流場(chǎng)影響范圍約410m。

碼頭建設(shè)后低潮位情況下，P=1%典型斷面平均流速達(dá)3.20m/s，局部流速大于4.0m/s，特別是碼頭平臺(tái)前沿點(diǎn)附近的流速在4.5m/s以上，水動(dòng)力作用強(qiáng)。隨著流速增大水流的挾沙能力增強(qiáng)，加之在河中設(shè)墩，水流擾動(dòng)程度加大，使碼頭所在斷面及下游附近河道的沖刷呈加劇趨勢(shì)。

6 結(jié)論

本文利用MIKE21軟件在某碼頭擴(kuò)建工程附近河段建立水流二維數(shù)學(xué)模型， 對(duì)碼頭擴(kuò)建前后工程附近河段的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，經(jīng)檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果令人滿意，其精度可以滿足工程應(yīng)用要求。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果，碼頭擴(kuò)建工程建設(shè)對(duì)附近河段流場(chǎng)有一定影響，工程建成后局部流速較大。建議碼頭擴(kuò)建工程規(guī)模不宜過(guò)大，并盡可能近岸布置和建設(shè)，同時(shí)應(yīng)做好碼頭自身的防沖設(shè)計(jì)。

[1] Mike21&MIKE3 FLOW MODEL FM Hydrodynamic and Transport Module Scientific Documentation[M].DHI Water & Environment, Denmark.2007.