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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(jī)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(jī)械電子工程研究所,浙江杭州310018;2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310012)

        0 引言

        舟山群島是我國(guó)第一大群島,附近海域西連杭州灣,北接長(zhǎng)江口,東臨東海;水深地形多變、島嶼眾多,水動(dòng)力條件復(fù)雜[1]。同時(shí)舟山海域也是全國(guó)著名的強(qiáng)潮海區(qū),部分水道漲退潮流速度可達(dá)2 m/s~3 m/s,其中蘊(yùn)含了豐富的潮流能,特別是金塘水道、龜山航門(mén)、西候門(mén)水道等均為全國(guó)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(jī)容量可達(dá)63 500 kW,年發(fā)電量達(dá)到1.17×109kWh[3]。故研究舟山海域的速度場(chǎng)特征,對(duì)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(duì)方程進(jìn)行離散后,并對(duì)所建模型進(jìn)行校驗(yàn),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(chǎng)和三維水動(dòng)力的特征,模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)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(mén)針對(duì)某一具體海域的研究成果。在大范圍海域計(jì)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(jì)算效率及簡(jiǎn)化網(wǎng)格劃分的難度。而本研究詳細(xì)繪制每一座島嶼,同時(shí)采用更小的網(wǎng)格尺寸(每格長(zhǎng)度為1 m)對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分,采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試兩種方法相結(jié)合,對(duì)舟山特定海域流速進(jìn)行模擬,以建立該海域模型。

        1 網(wǎng)格劃分與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取

        本研究數(shù)值模擬計(jì)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(gè)潮流進(jìn)出口,使其形成一個(gè)封閉的計(jì)算域,并進(jìn)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(duì)其進(jìn)行細(xì)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(gè)單元,并且使每個(gè)網(wǎng)格寬度均以1.2倍率進(jìn)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(shí)際流速,在ADCP進(jìn)行流速測(cè)量的同時(shí),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(cè)速軌跡(與圖1中走航軌跡相對(duì)應(yīng)),其中軌跡上每一點(diǎn)的箭頭均代表ADCP在該點(diǎn)處所測(cè)得的速度矢量。通過(guò)對(duì)每個(gè)進(jìn)出口范圍內(nèi)的所有測(cè)量點(diǎn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        本研究分別求出各入口和出口的湍動(dòng)能κ、湍動(dòng)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(jì)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(jì)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(dòng)力粘度μ=0.951×10-3Pa·s。計(jì)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(shí),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(shí),取西邊4、5口為速度進(jìn)口,東邊1、2、3口為壓力出口,速度進(jìn)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(shí)流速標(biāo)量云圖

        圖4 漲潮時(shí)摘箬山南部放大流速矢量圖

        漲潮過(guò)程中,水深0.5 m剖面上的流速標(biāo)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(shí),水流從進(jìn)口1、2、3流入,其中螺頭水道東段為主要進(jìn)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(qiáng);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(shí),形成了流急特性,故流速較高。

        退潮過(guò)程中,水深0.5 m剖面上的流速標(biāo)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(shí),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(dá)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(zhǎng)柄嘴為穿山半島北部的一個(gè)岬角,其海底坡度較陡,在退潮時(shí),海水自西向東流入至岬角時(shí),水流的速度有所增大,同時(shí)在該處產(chǎn)生強(qiáng)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(pán)峙島,以及東岠島和長(zhǎng)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(duì)于螺頭水道流速要小得多。

        圖5 退潮時(shí)流速標(biāo)量云圖

        圖6 退潮時(shí)寧波穿山半島北部放大速度矢量圖

        3 結(jié)束語(yǔ)

        (1)通過(guò)本次模擬計(jì)算可知,漲潮時(shí)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(shí)的最高流速1.5 m/s~2.1 m/s出現(xiàn)在寧波穿山半島長(zhǎng)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(shí)測(cè)值相符,本次模擬所得的模型精度符合要求,可用于工程實(shí)踐中。

        (2)通過(guò)模型獲得舟山海域的定點(diǎn)流速,可用于潮流能計(jì)算。對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步修改后,可用于該海域水動(dòng)力特性的模擬以及海水潮汐流中物質(zhì)移動(dòng)擴(kuò)散的計(jì)算,對(duì)開(kāi)發(fā)港口、維護(hù)航道及建造海洋建筑物有指導(dǎo)作用[10]。

        (3)在ADCP走航試驗(yàn)中,由于各點(diǎn)流速均不是在同一時(shí)刻采集的,不能保證同時(shí)性,但由于每個(gè)出、入口的流速點(diǎn)測(cè)量時(shí)間較近,故本研究在數(shù)值模擬過(guò)程中對(duì)出、入口速度進(jìn)行了平均處理。

        (4)由于本次模擬并沒(méi)有考慮風(fēng)力、波動(dòng)等外界因素的影響,計(jì)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(dòng)力特征及其對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)的影響分析[D].青島:中國(guó)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(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2010,40(8):27-33.

        [3]王兆忠,李偉朝,王定元.舟山群島新能源開(kāi)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(dòng)力數(shù)值模擬[J].海洋地質(zhì)動(dòng)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(bào),1986,8(2):232-241.

        [8]楊隴慧,朱建榮,朱首賢.長(zhǎng)江口杭州灣及鄰近海區(qū)潮汐潮流場(chǎng)三維數(shù)值模擬[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào),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(yùn)移及動(dòng)力機(jī)制分析[D].青島:中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,2009.

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