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        舟山特定海域三維水流數(shù)值模擬研究*

        2014-03-29 05:45:08秦華偉蔡真周紅偉胡杭民
        機電工程 2014年4期
        關(guān)鍵詞:舟山群島水道潮流

        秦華偉,蔡真,周紅偉,胡杭民

        (1.杭州電子科技大學(xué)機械電子工程研究所,浙江杭州310018;2.國家海洋局第二海洋研究所海底科學(xué)重點實驗室,浙江杭州310012)

        0 引言

        舟山群島是我國第一大群島,附近海域西連杭州灣,北接長江口,東臨東海;水深地形多變、島嶼眾多,水動力條件復(fù)雜[1]。同時舟山海域也是全國著名的強潮海區(qū),部分水道漲退潮流速度可達2 m/s~3 m/s,其中蘊含了豐富的潮流能,特別是金塘水道、龜山航門、西候門水道等均為全國潮流能能量密度最大的地區(qū)[2]。舟山群島海域沿岸有26處潮流能資源最佳區(qū),8處資源較佳區(qū),11處資源可利用區(qū),在其海域內(nèi)可裝機容量可達63 500 kW,年發(fā)電量達到1.17×109kWh[3]。故研究舟山海域的速度場特征,對解決舟山海域潮流能發(fā)電及其附近各類海洋環(huán)境都有著重要意義。

        馬啟南[4]等建立了基于σ變換和內(nèi)外模式分裂技術(shù)三維水流數(shù)學(xué)模型,對方程進行離散后,并對所建模型進行校驗,將該模型應(yīng)用到杭州灣的三維水流數(shù)值模擬中,取得良好的效果;壽瑋瑋等[5]利用ECOM模型模擬了舟山群島附近海域流場和三維水動力的特征,模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)符合。

        現(xiàn)有分析多數(shù)為杭州灣或舟山群島大范圍海域,而缺少專門針對某一具體海域的研究成果。在大范圍海域計算中,常采用忽略某些小島或近似島嶼邊界線等方法,提高計算效率及簡化網(wǎng)格劃分的難度。而本研究詳細繪制每一座島嶼,同時采用更小的網(wǎng)格尺寸(每格長度為1 m)對計算區(qū)域進行劃分,采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試兩種方法相結(jié)合,對舟山特定海域流速進行模擬,以建立該海域模型。

        1 網(wǎng)格劃分與實測數(shù)據(jù)獲取

        本研究數(shù)值模擬計算海域如圖1所示,該海域位于舟山島與寧波穿山半島之間。筆者共取5個潮流進出口,使其形成一個封閉的計算域,并進行網(wǎng)格劃分,在深度方向上采用均分層法將其分成16層。由于島嶼岸邊的深度減小,需要優(yōu)化邊界網(wǎng)格:對其進行細化拉伸處理,將所有邊界線向陸地方向拉伸5 m,水深為1 m,總共4個單元,并且使每個網(wǎng)格寬度均以1.2倍率進行縮小。

        圖1 所研究區(qū)域地理位置及走航軌跡

        本研究利用走航式ADCP,從定海港出發(fā),按圖1線路航行,以獲取該剖面的實際流速,在ADCP進行流速測量的同時,利用GPS定位系統(tǒng)輔助工作以確定ADCP經(jīng)、緯度。所得流速原始數(shù)據(jù)如圖2所示,圖中黑色曲線輪廓為測速軌跡(與圖1中走航軌跡相對應(yīng)),其中軌跡上每一點的箭頭均代表ADCP在該點處所測得的速度矢量。通過對每個進出口范圍內(nèi)的所有測量點的流速取均值,得到該海域速度數(shù)據(jù):V1=1.07 m/s,V2=0.37 m/s,V3=0.28 m/s,V4=0.67 m/s,V5=0.52 m/s。

        圖2 所采集到的實驗數(shù)據(jù)

        本研究分別求出各入口和出口的湍動能κ、湍動耗散率ε、比耗散率,其大小如表1所示。

        表1 各出入口參數(shù)

        2 計算與結(jié)果分析

        本研究的模擬采用k-ω模型,材料模型選用計算所得海水模型,其中海水密度由公式[6]得ρ=1 022.921 kg/m3,動力粘度μ=0.951×10-3Pa·s。計算環(huán)境壓力P=101 325 Pa,重力條件在z方向上設(shè)置為-9.8 m/s2。

        漲潮時,取東邊1、2、3口為速度入口,西邊4、5口為壓力出口;退潮時,取西邊4、5口為速度進口,東邊1、2、3口為壓力出口,速度進口處均采用平均流速。設(shè)海表面、海岸邊界和海底面的粗糙度為0.05。

        圖3 漲潮時流速標量云圖

        圖4 漲潮時摘箬山南部放大流速矢量圖

        漲潮過程中,水深0.5 m剖面上的流速標量云圖如圖3所示;摘箬山島南部海域流速矢量局部放大圖如圖4所示。從圖4中可以看出,漲潮時,水流從進口1、2、3流入,其中螺頭水道東段為主要進口,其流速和流量較大,速度約為1.0 m/s~1.2 m/s,且流向角度穩(wěn)定在261°~309°,流速發(fā)展充分,另一支流沿螺頭水道向西,流速約為1.2 m/s~2.0 m/s,流速相較之前略有增強;其中一支沿摘箬山島北上,流速約為0.4 m/s~1.0 m/s。該海域最高流速出現(xiàn)在摘箬山島和小貓山南部海域,流速約為1.6 m/s~2.0 m/s,該結(jié)果與李身鐸等[7-8]模擬結(jié)果接近。由于這兩處均處于螺頭水道主槽區(qū)邊緣,海底地形均為東邊高于西邊,潮水從東向西流入時,形成了流急特性,故流速較高。

        退潮過程中,水深0.5 m剖面上的流速標量云圖如圖5所示;穿山半島最東段流速矢量局部放大圖如圖6所示。從圖6中可以看出,退潮時,水流從4、5口流入,螺頭水道西段為主要入口,流量較大,速度可達0.8 m/s~1.2 m/s,且流向角度基本在86°~118°,最高流速出現(xiàn)于螺頭水道東段和穿山半島北側(cè),約為1.5 m/s~2.1 m/s。由于長柄嘴為穿山半島北部的一個岬角,其海底坡度較陡,在退潮時,海水自西向東流入至岬角時,水流的速度有所增大,同時在該處產(chǎn)生強度及大小不等的回流,這一現(xiàn)象與許雪峰等[9]的研究結(jié)果一致。在摘箬山島和大盤峙島,以及東岠島和長峙島之間的群島區(qū)域水道眾多,潮流流向狀況復(fù)雜,但相對于螺頭水道流速要小得多。

        圖5 退潮時流速標量云圖

        圖6 退潮時寧波穿山半島北部放大速度矢量圖

        3 結(jié)束語

        (1)通過本次模擬計算可知,漲潮時的最高流速1.6 m/s~2.1 m/s出現(xiàn)在摘箬山島和小貓山南部海域,退潮時的最高流速1.5 m/s~2.1 m/s出現(xiàn)在寧波穿山半島長柄嘴的北側(cè)和螺頭水道東段的出口邊界處,該數(shù)據(jù)與實測值相符,本次模擬所得的模型精度符合要求,可用于工程實踐中。

        (2)通過模型獲得舟山海域的定點流速,可用于潮流能計算。對模型進行進一步修改后,可用于該海域水動力特性的模擬以及海水潮汐流中物質(zhì)移動擴散的計算,對開發(fā)港口、維護航道及建造海洋建筑物有指導(dǎo)作用[10]。

        (3)在ADCP走航試驗中,由于各點流速均不是在同一時刻采集的,不能保證同時性,但由于每個出、入口的流速點測量時間較近,故本研究在數(shù)值模擬過程中對出、入口速度進行了平均處理。

        (4)由于本次模擬并沒有考慮風(fēng)力、波動等外界因素的影響,計算結(jié)果仍存在一定的誤差。

        ):

        [1]壽瑋瑋.舟山群島附近海域水動力特征及其對物質(zhì)輸運的影響分析[D].青島:中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,2009.

        [2]王智峰,周良明,張弓賁,等.舟山海域特定水道潮流能估算[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報,2010,40(8):27-33.

        [3]王兆忠,李偉朝,王定元.舟山群島新能源開發(fā)利用現(xiàn)狀和前景[J].可再生能源,2009,27(4):112-114.

        [4]馬啟南,陳永平,張金善,等.杭州灣的三維水流數(shù)值模擬[J].海洋工程,2001,19(4):58-66.

        [5]壽瑋瑋,吳建政,胡日軍,等.舟山群島附近海域三維水動力數(shù)值模擬[J].海洋地質(zhì)動態(tài),2009,25(11):1-9.

        [6]CHEN C T,MILLERO F J.The equation of state of seawater determined from sound speeds[J].Journal of Marine Research,1978,36(4):657-691..

        [7]李身鐸,胡輝,黃麗萍,等.杭州灣M-2潮的數(shù)值模擬[J].海洋學(xué)報,1986,8(2):232-241.

        [8]楊隴慧,朱建榮,朱首賢.長江口杭州灣及鄰近海區(qū)潮汐潮流場三維數(shù)值模擬[J].華東師范大學(xué)學(xué)報,2001(3):74-84.

        [9]許雪峰,施偉勇,孫志林,等.穿山半島北側(cè)近岸“回流”現(xiàn)象的二維數(shù)值模擬[J].海洋學(xué)研究,2011(1):84-89.

        [10]胡日軍.舟山群島海域泥沙運移及動力機制分析[D].青島:中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,2009.

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