謝龍，周海霞，陳李，吳卓爾，姚科

（1.江蘇交通科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇南京210000；2.中交二公局萌興工程有限公司，湖北宜昌443000）

固定邊界水流流場數(shù)值模擬應(yīng)用技術(shù)研究背景及應(yīng)用前景綜述

謝龍1，周海霞2，陳李1，吳卓爾1，姚科1

（1.江蘇交通科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇南京210000；2.中交二公局萌興工程有限公司，湖北宜昌443000）

物理對象數(shù)值模擬以其限制條件小、建模周期短、建模成本低、計算精度高等優(yōu)點廣泛適用于目前各高校的科研領(lǐng)域，在未來也必將成為科研發(fā)展的主流趨勢。在此背景條件下，以固壁邊界水流流場作為分析研究對象，詳細(xì)介紹了數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)背景及應(yīng)用前景，結(jié)論可為該技術(shù)的研究發(fā)展提供一定的參考。

固定邊界；數(shù)值模擬技術(shù)；應(yīng)用前景；水流流場

1 研究背景

中國是一個多河流的國家，內(nèi)河航道通航里程位居世界第一[1]。內(nèi)河航運是國家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，具有占地少、成本低、能耗小、污染輕、運能大、效益高六大優(yōu)勢，是綜合運輸體系中發(fā)展的重點，是典型的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的產(chǎn)業(yè)體系。

我國區(qū)域開放開發(fā)的戰(zhàn)略布局已進(jìn)入到“沿海、沿江”并重的時期。今后20～30年是依托內(nèi)河水運資源實現(xiàn)沿江地區(qū)、內(nèi)陸地區(qū)和沿海地區(qū)同時發(fā)展的時代，內(nèi)陸地區(qū)擴大開放成為國家戰(zhàn)略，我國進(jìn)入了內(nèi)河水運大規(guī)模開發(fā)的新時期[2]。

我國內(nèi)河航運潛力巨大，但開發(fā)利用不足。其中，內(nèi)河航道里程12.3萬km，僅占河流總長的29%；內(nèi)河千噸級以上航道的里程占總航道里程的7%，而美國達(dá)到61%，德國更達(dá)到70%。

國務(wù)院2011年2號文件指出：加快長江等內(nèi)河水運發(fā)展有利于構(gòu)建現(xiàn)代綜合運輸體系，有利于調(diào)整優(yōu)化沿江沿河地區(qū)產(chǎn)業(yè)布局，有利于促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展，有利于促進(jìn)節(jié)能減排。對優(yōu)化交通運輸結(jié)構(gòu)，降低社會綜合物流成本，增強國防交通功能，構(gòu)建現(xiàn)代綜合運輸體系的重大戰(zhàn)略部署等均具有重大意義。

目前，在航運信息化的發(fā)展趨勢背景下，眾多高校以及科研設(shè)計院高度重視數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展。采用數(shù)值模擬技術(shù)，不僅可以節(jié)約物理模型建設(shè)、原型觀測費用，節(jié)約大量人力物力財力，還可以通過精確的參數(shù)率定提高模型精度，是未來河流研究和技術(shù)探討的主流趨勢[3]。

2 研究目的與意義

2.1 量化水流結(jié)構(gòu)與流向，是為河流研究分析提供理論依據(jù)的需要

平面水流二維數(shù)值模擬可以模擬研究河段的水流結(jié)構(gòu)和水流方向，為研究河段的水流規(guī)律與流場分布結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。如，在河流的航道整治方案討論中，最重要的就是整治河段水流結(jié)構(gòu)的分布及水流方向的確定。在此基礎(chǔ)上才能因勢利導(dǎo)，合理確認(rèn)適宜的工程措施。然而，在天然河流中，水流結(jié)構(gòu)紊亂，難以對其結(jié)構(gòu)和水流流向進(jìn)行細(xì)致觀察、描述，傳統(tǒng)的研究方法也難以進(jìn)行合理的展示。而數(shù)值模擬技術(shù)可以良好地量化水流結(jié)構(gòu)與水流方向，為河流的研究分析提供理論依據(jù)。

2.2 實現(xiàn)水流數(shù)值化建立，是航運信息化體系建設(shè)的需要

21世紀(jì)是信息的世紀(jì)，加快信息化建設(shè)，“以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化”已經(jīng)成為我國社會經(jīng)濟發(fā)展的一項重要戰(zhàn)略舉措?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》提出的11個國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重點領(lǐng)域中，重點安排的優(yōu)先主題之（38）：智能交通管理系統(tǒng)即提出要重點開發(fā)綜合交通運輸信息平臺和信息資源共享技術(shù)。國務(wù)院2011年2號文件提出：要加快南京長江下游航運中心建設(shè)，推進(jìn)水運信息化，建設(shè)水運公共信息服務(wù)系統(tǒng)[4]。

在航運硬件設(shè)施和航運量飛速發(fā)展的同時，航運軟件設(shè)施發(fā)展則相對滯后[5]。由于中國水資源發(fā)達(dá)、河流眾多，要構(gòu)建中國內(nèi)河水運公共信息服務(wù)平臺，就必須將內(nèi)河水資源信息化、數(shù)字化，以實現(xiàn)中國內(nèi)河水運的實時監(jiān)測管理、動態(tài)模擬及跟蹤。因此，水流數(shù)值化建立的實現(xiàn)，是航運信息化體系建設(shè)的重要前提和保障。

2.3 模擬水流因子并完成信息輸出，是保證河流研

究經(jīng)濟性的需要

隨著我國經(jīng)濟的迅速騰飛以及對內(nèi)河航運、水利發(fā)電等技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)，國家有關(guān)部門愈發(fā)高度重視對河流資源的利用，國家有關(guān)部門、各高校以及眾多科研單位加大了對河流的原型觀測與規(guī)律研究。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅在2009年，我國各交通部門、科研單位用在天然河流水力因子的原型觀測、物模建立的費用就達(dá)到42.5億元，數(shù)額十分巨大，如果通過數(shù)值模擬來進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的計算測定，則可大幅度節(jié)約測量經(jīng)費。

采用數(shù)值模擬可以大幅度降低研究經(jīng)費，一般情況下，數(shù)值模擬的費用僅為原型觀測的5%，僅為物模試驗的10%，可以大幅度節(jié)約測量經(jīng)費。

3 數(shù)學(xué)模型模擬技術(shù)介紹及研究現(xiàn)狀

3.1 數(shù)學(xué)模型模擬技術(shù)介紹

數(shù)學(xué)模型采用的淺水動力學(xué)計算方法，按離散基本原理可以分為特征線法（MOC）、有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）和有限體積法（FVM）。有限體積法為守恒方程的直接離散，將計算區(qū)域劃分成若干規(guī)則或不規(guī)則形狀的單元或控制體，處理過程具有較強的靈活性，能夠滿足復(fù)雜邊界問題的需要，同時在間斷問題的數(shù)值模擬方面顯示了獨特的效果（譚維炎）。近年來，以Riemann解為基礎(chǔ)的Godunov型格式成為求解淺水大梯度流動的主要方法，而如何處理任意的水下地形使計算格式保持較好的和諧性成為Godunov格式當(dāng)前的一個熱點問題。

3.2 數(shù)學(xué)模型模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)，李義天、周建軍、張小峰等學(xué)者都建立了自己的平面二維泥沙模型。陸永軍對在航道整治工程中細(xì)部水流結(jié)構(gòu)及河床變形的模擬有較深入的研究；鐘德鈺等考慮環(huán)流橫向輸沙及河岸變形對平面二維模型進(jìn)行了擴展。在國外，也有許多較為成功的模型，如荷蘭Delft水力學(xué)實驗室的Van Rijn模型、Iowa水利所的MOBED2模型、丹麥水利所的MIKE21模型及德國Karlsruhe大學(xué)的FAST 2D模型、美國Mississippi大學(xué)水科學(xué)計算中心CCHE2D模型等。

目前，在數(shù)學(xué)模型技術(shù)及其應(yīng)用方面的專利成果較少，能夠查詢到的為數(shù)不多的專利也僅僅是應(yīng)用了成熟的數(shù)值模擬方法針對某一問題進(jìn)行了小的技術(shù)處理。一方面，這可能跟其專業(yè)性質(zhì)有關(guān)，另一方面則是因為數(shù)學(xué)模型采用的基本理論、基本方法仍然還是原有的知識，目前在這方面沒有形成大的突破。在實際的應(yīng)用中，大多數(shù)現(xiàn)有的商業(yè)軟件或者是自編軟件都已經(jīng)足夠，只需要針對具體的問題進(jìn)行建模及調(diào)試模型即可，所以很難涌現(xiàn)出真正意義上的有自主知識產(chǎn)權(quán)的突破性的專利技術(shù)。

4 本研究技術(shù)應(yīng)用前景

4.1 航道工程整治

根據(jù)待整治航道工程的實際情況，建立研究河段的平面水流二維數(shù)學(xué)模型，分析其水流結(jié)構(gòu)與水流流向，如圖1所示，為航道整治提供切實有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而制定相應(yīng)的工程處理措施，達(dá)到航道整治的目的。

圖1 研究河段水流結(jié)構(gòu)與水流流向模擬分析

4.2 對水力因子的模擬計算及提取

在實際工程方案設(shè)計中，常常遇到業(yè)主提供的資料有限、資料施測范圍有限或者提供資料測量誤差較大的不利情況，嚴(yán)重影響到工程方案的研究設(shè)計。在此情況下，如果重新進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，不僅費時費力，同時也將產(chǎn)生大量測量費用，甚至由于某些工況的及時性無法再次測量。因此，可考慮根據(jù)各個邊界控制情況，建立二維數(shù)模進(jìn)行模擬計算，在模擬計算后，可輕易提取計算區(qū)域內(nèi)任何一點的水位、流速、水深、水面比降、水流功率等重要水力因子，如圖2-4所示。

圖2 水位分布

圖3 流速分布

圖4 水深分布

在上述不利條件下，使用數(shù)值模擬方法，不但可以提高分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精度，而且使用數(shù)模計算不受環(huán)境條件的影響，不受場地、時間等因素的限制，避免模型試驗與原型測量，節(jié)約大量的時間、物力、人力資源，十分經(jīng)濟。

4.3 工程整治方案效果對比

在河道整治方案確定前，必須對整治方案的效果進(jìn)行對比分析，最重要的參考依據(jù)和指標(biāo)就是整治前后流場的對比以及整治區(qū)域內(nèi)流速大小、方向的變化。以往情況下，我們都選擇物理模型作對比，然而由于物理模型制作困難，比例尺難以確定，且耗時耗力，非常不經(jīng)濟，因此可考慮使用數(shù)值模擬的方法來代替。

把某河段在方案整治前、整治后的流場繪制下來，如圖5-6所示，并計算工程方案整治前后研究河段區(qū)域的水流流速變化大小，繪于圖7。由這幾幅圖也可看出，使用數(shù)值模擬方法對比工程方案整治效果更加形象、直觀，模擬效果十分良好，

圖5 研究河段方案整治前流場

圖6 研究河段方案整治后流場

圖7 研究河段方案整治前后流速變化

4.4 挖入式港池內(nèi)水動力條件和淤積規(guī)律研究

隨著可利用岸線資源不斷減少，合理的港池布置設(shè)計越來越受到重視，挖入式港池在我國內(nèi)河航道里應(yīng)用分布非常廣泛。由于港池內(nèi)的水流特性及水動力條件分布規(guī)律十分復(fù)雜，目前國內(nèi)外對此的研究尚處于起步階段，港池平面形態(tài)的布置設(shè)計往往依據(jù)經(jīng)驗參數(shù)，在此前提下設(shè)計的挖入式港池普遍存在淤積嚴(yán)重、清淤困難的問題。因此，可通過對港池內(nèi)水流條件的模擬，了解各港池平面形態(tài)下的水流結(jié)構(gòu)與水流運動規(guī)律，以得到合理的港池平面形態(tài)布置形式以及其他合理減淤措施。

4.5 實測數(shù)據(jù)數(shù)值離散及數(shù)值化成圖

一般情況下，由于對天然河流的各因子（如地形高程）測量都是離散隨機的數(shù)據(jù)點，如圖8所示，無法直觀分析出河道該因子（地形）分布，因此借助數(shù)值模擬的有限元離散功能，將實測數(shù)據(jù)點離散成二維平面圖，如圖9所示。

圖8 研究河段實測數(shù)據(jù)點分布

圖9 二維平面數(shù)值離散

4.6 不同工況下的航道條件對碼頭岸線影響對比

在天然河流里，受不同季節(jié)降雨量影響，河道水位水力因子變化較大，對航道、港口碼頭的影響也不同。要綜合考慮這些情況制定合理的航道邊界以及合理的碼頭設(shè)計方案，就必須充分考慮各極端工況下的流場、水位、流速、流向、水流功率等因子的情況及變化規(guī)律。某河段在不同工況下的流場情況，如圖10-17所示。

圖10 研究河段在工況一下的流場分布

圖11 研究河段在工況二下的流場分布

圖12 研究河段在工況三下的流場分布

圖13 研究河段在工況四下的流場分布

圖14 研究河段在工況五下的流場分布

圖15 研究河段在工況六下的流場分布

圖16 研究河段在工況七下的流場分布

圖17 研究河段在工況八下的流場分布

5 結(jié)語

隨著我國交通部門及有關(guān)單位對河流資源開發(fā)重視程度的提高以及航運信息化的大環(huán)境背景，加快航運工程的數(shù)字化、信息化建設(shè)已成該行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。因此，大力推動河流數(shù)值模擬技術(shù)具有十分重要的意義與價值。

與以往的原型觀測和物理模型試驗相比，數(shù)值模擬技術(shù)計算精度高、計算結(jié)果直觀且容易輸出，使用數(shù)模計算不受環(huán)境條件的影響，不受場地、時間等因素的限制，能節(jié)約大量的時間、物力、人力資源，成本極低，經(jīng)濟效果十分明顯。同時，將河流數(shù)值模擬的方法應(yīng)用到航道項目工程中，理論正確、模擬效果良好，成本低廉，可以大幅度降低工程成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]郭蓮清.天津港碼頭結(jié)構(gòu)綜述[J].港工技術(shù)，2001，（12）：63-71．

[2]謝龍.三峽變動回水區(qū)末端段復(fù)合水動力條件分析及對泥沙輸移的影響[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

[3]張強，劉現(xiàn)鵬.岸坡土體變形對天津港高樁碼頭的危害[J].水道港口，2005，26（4）：241-242.

[4]田雙珠，張勇，李越松.天津港高樁碼頭岸坡變形規(guī)律研究[J].水道港口，2006，27（3）：180，184.

[5]陳建，李義天，鄧金運.汛限水位優(yōu)化調(diào)度對三峽水庫泥沙淤積的影響[J].水力發(fā)電學(xué)報，2012，31（1）：183-188.

TV147

B

1004-7328（2014）06-0038-05

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.06.014

2014-07-01

國家自然科學(xué)基金（50879006）

謝龍（1988-），男，碩士研究生，主要從事港口、海岸工程模擬技術(shù)的研究工作。