李思靜　呂純月

【摘 要】20世紀(jì)以來，世界各地的濱海結(jié)構(gòu)深受海嘯的影響。各研究學(xué)者通過模型試驗(yàn)進(jìn)行研究，隨著CFD的發(fā)展，數(shù)值模擬以其成本低、效率高等特點(diǎn)開始被學(xué)者廣泛用于研究海嘯作用力。文章利用大型商業(yè)計(jì)算軟件Fluent，基于Goring算法和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了類實(shí)驗(yàn)室方法的推板造波法。并與已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符。

【關(guān)鍵詞】海嘯; CFD; Goring算法; 孤立波

【中圖分類號】TV131.61【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

為了滿足沿海區(qū)域交通的快速發(fā)展，濱海、跨海橋梁的修建勢在必行。而20世紀(jì)以來，世界各地的濱海結(jié)構(gòu)深受海嘯的影響，為了確保沿海結(jié)構(gòu)的安全，對濱海結(jié)構(gòu)進(jìn)行海嘯力研究，有著具有重要意義和工程價(jià)值。

1 研究背景及意義

海嘯是眾多自然災(zāi)害的一種，具有破壞力大、影響范圍廣的特點(diǎn)。通常是因?yàn)楹５椎牡卣?、火山噴發(fā)以及氣象的變化所引起，當(dāng)海嘯產(chǎn)生后，在深海中以較大的速度、較小的波高傳播，而抵近海岸時(shí)由于大陸架的坡度使得海水變淺、地勢增高，海嘯波的波長變短，而波高陡增至數(shù)米甚至數(shù)十米，形成一堵巨大的“水墻”撲向海岸，造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。從20世紀(jì)以來，全世界眾多沿海地區(qū)深受海嘯的影響。1960年5月23日智利發(fā)生8.9級地震，這次海嘯導(dǎo)致數(shù)萬人死亡和失蹤，沿岸的碼頭全部癱瘓，200萬人無家可歸。這是世界上影響范圍最大、也是最嚴(yán)重的一次海嘯災(zāi)難[1]。2004年12月26日于印尼的蘇門答臘外海發(fā)生9級的海地地震，引發(fā)了印度洋海嘯，該海嘯襲擊了印尼、馬來西亞等東南亞國家，巨大的海浪造成經(jīng)濟(jì)損失巨大以及30余萬人喪生。2011年3月11日日本仙臺(tái)以東太平洋海域發(fā)生9.0級地震，地震引發(fā)大規(guī)模海嘯，造成重大人員傷亡，并引發(fā)日本福島第一核電站發(fā)生核泄漏事故。海嘯對沿海人類生活環(huán)境的破壞幾乎是毀滅性的。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，Cross最早在通過潰壩造海嘯涌波的試驗(yàn)中研究了海嘯在干水槽中的傳播并對墻體的沖擊作用力，基于研究結(jié)果提出了一個(gè)計(jì)算作用于垂直墻體的海嘯涌波力的簡化計(jì)算公式[2];Ramsden[3]在水槽中造孤立波，孤立波沿緩坡傳播破碎后經(jīng)干河床作用于垂直墻體。研究發(fā)現(xiàn)，海嘯在墻上的最大爬升高度是速度水頭的2倍，最大作用力在最大爬高后出現(xiàn)，并驗(yàn)證了Cross提出的計(jì)算式。21世紀(jì)后隨著全球范圍內(nèi)海嘯對橋梁的破壞變得愈加嚴(yán)重，以及CFD技術(shù)的成熟，相關(guān)研究者開始更加關(guān)注這個(gè)話題。Motley等[4]利用數(shù)值模型比較了二維和三維橋梁上部結(jié)構(gòu)數(shù)值模型所受到的波浪力。結(jié)果表明當(dāng)忽略地勢變化和橋梁的傾斜時(shí)，二維模型所得到的結(jié)果和三維模型的結(jié)果相差不大。Xu和Cai[5]利用商業(yè)軟件Fluent研究了孤立波斜向入射時(shí)對橋梁的作用力和傾覆力矩。

但是目前我國橋梁規(guī)范中尚無海嘯對橋梁上部結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的相關(guān)條文，只能參考其他規(guī)范，現(xiàn)有的近海結(jié)構(gòu)規(guī)范關(guān)于海嘯力的計(jì)算在濱海橋梁的適用性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證，尚不能滿足實(shí)際工程需求。如今的海嘯數(shù)值模擬造波方法多樣、湍流模型復(fù)雜，沒有明確的計(jì)算方式。故本文通過數(shù)值模型，嘗試研究海嘯作用力的特征，對Bo Huang[6]的試驗(yàn)條件建立數(shù)值模型。

3 數(shù)值模型的建立

本數(shù)值模擬采用目前國際上比較流行的商用CFD軟件ANSYS Fluent，它基于有限元體積法求解RANS方程，采用體積分?jǐn)?shù)法（VOF）兩相流模型捕捉波浪中的自由液面。該軟件具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，具有適用面廣、高效省事、穩(wěn)定性好精度高的特點(diǎn)，在計(jì)算流體學(xué)方面有著廣泛的應(yīng)用。

本數(shù)值波浪水槽采用二階孤立波數(shù)值解，由Goring算法求解推波板位移，進(jìn)而編譯出推波板位移文件，通過大型商業(yè)軟件Fluent中UDF（User Defined Function）控制邊界運(yùn)動(dòng)，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)建立三維數(shù)值波浪水槽模型，實(shí)現(xiàn)類似實(shí)驗(yàn)室方法的數(shù)值推板造波法。研究證明，在孤立波傳播過程中采用層流模型（laminar）能較好地保證孤立波的波形、且計(jì)算高效，故本文采用層流模型計(jì)算。

本文研究采用三維數(shù)值水槽，全長30 m、寬度2 m、高度1.8 m，分別將水槽的長、寬、高方向定義為X、Y、Z方向。由于采用二維模型計(jì)算模型時(shí)，孤立波會(huì)出現(xiàn)較大的沿程損失，故本文將采用三維網(wǎng)格進(jìn)行建模。模型所有計(jì)算域均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，根據(jù)前文的坐標(biāo)方向定義與區(qū)域劃分，在Y方向上均勻劃分為6份網(wǎng)格;在Z方向上，從水槽上、下兩端從dz=1 m加密至水面處dz=0.01 m;在X方向上，傳播段均勻劃分為dx=0.15 m的網(wǎng)格，另外對造波板處進(jìn)行加密至dx=0.05 m，模型位置加密至dx=0.01 m，核心區(qū)示意圖如圖1。網(wǎng)格共計(jì)12萬，質(zhì)量0.97。

在水深0.6 m，波高0.12 m的數(shù)值造波工況下，監(jiān)測液面情況，與相對應(yīng)工況的二階理論波波形進(jìn)行對比如圖2（a）。兩者吻合情況非常好，幾乎完全重合。說明本數(shù)值方法能較準(zhǔn)確的生成計(jì)算所需的孤立波。本文在計(jì)算過程中對5 m、10 m、15 m、18 m、19 m的波高進(jìn)行監(jiān)測，如圖2（b）。可以發(fā)現(xiàn)該孤立波在傳播階段的沿程損失較小，說明該數(shù)值方法能較好的模擬孤立波的生成與傳播。

4 計(jì)算結(jié)果

圖3是孤立波沖擊橋面板時(shí)的液面情況，數(shù)值結(jié)果見圖4，豎向力有兩個(gè)峰值，豎向力第一峰值是作用于梁底，第二峰值為波浪作用于橋面板和梁底時(shí)。但數(shù)值模擬由于沖擊時(shí)間較短，捕捉不夠明顯。水平力由正峰值與負(fù)峰值組成，主要是由上、下游液面差造成。

對Bo Huang[6]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。該試驗(yàn)是在西南交通大學(xué)深水大跨實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，通過推波板造孤立波，研究孤立波對箱梁的海嘯力的影響。本文對Bo Huang[6]中水深為0.623 m，淹沒率為0，波高水深之比為0.268的工況進(jìn)行對比，建立與該試驗(yàn)完全相同的數(shù)值水槽、模型尺寸、試驗(yàn)工況。得出數(shù)據(jù)對比如圖4所示，證明該數(shù)值方法能較好地模擬出海嘯作用力的特征，并且能夠得到較好的精度。綜上所述，本文所建立的數(shù)值水槽能夠較好的模擬出孤立波的破碎涌波以及其對橋梁上部結(jié)構(gòu)的海嘯作用力。

參考文獻(xiàn)

[1]智利大地震太平洋沿岸多個(gè)國家和地區(qū)發(fā)布海嘯預(yù)警[J].生命與災(zāi)害，2010（3）：41.

[2]Cross R H. Tsunami surge forces[J]. Journal of the waterways and harbors division， 1967， 93（4）： 201-234.

[3]Ramsden， J. D.， and F. Raichlen. 1990. Forces on vertical wall caused by incident bores， Journal of waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering， ASCE， Vol. 116， No. 5， 592-613.

[4]Motley M R， Lemoine G I， Livermore S N. Three-Dimensional Loading Effects of Tsunamis on Bridge Superstructures[C]. Structures Congress 2014. ASCE， 2014： 1348-1358.

[5]Xu G， Cai C S. Wave Forces on Biloxi Bay Bridge Decks with Inclinations under Solitary Waves[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities， 2014， 29（6）： 04014150.

[6]Huang B ， Yang Z ， Zhu B ， et al. Vulnerability assessment of coastal bridge superstructure with box girder under solitary wave forces through experimental study[J]. Ocean Engineering， 2019， 189（Oct.1）：106337.1-106337.14.

[7]GORING D， RAICHLEN F. The generation of long waves in the laboratory [M]. Coastal Engineering 1980. 1980： 763-83.

[8]GORING D G. Tsunamis--the propagation of long waves onto a shelf [J]. 1978.

[定稿日期]2021-02-03

[作者簡介]李思靜（1996～），男，在讀碩士，研究方向?yàn)闃蛄核畡?dòng)力;呂純月（1996～），女，在讀碩士，研究方向?yàn)榇髿饪茖W(xué)。