內河挖入式港池回流流速分布規律的數值模擬

戴 勇，王定略

（1.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，南京210005；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098）

內河挖入式港池回流流速分布規律的數值模擬

戴 勇1，王定略2

（1.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，南京210005；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098）

采用k-ε雙方程湍流數學模型，建立了三維內河挖入式港池數學模型，分析了不同主流流速及不同港池軸線與主流流向的夾角對內河挖入式港池內的水流運動特性的影響，獲得了港池內回流流速的分布規律。研究結果表明，垂向流速值隨著主流流速的增大也相應增大；回流橫軸斷面上各測線平均流速從回流中心向兩側逐漸增大。數值計算結果與模型試驗的對比分析表明，數值模擬能夠較好的模擬內河挖入式港池內的回流運動特性。

挖入式港池；數值模擬；回流；流速分布規律

挖入式港池具有充分利用岸線，不礙航和不減小河道行洪斷面，港池掩護條件好等優點，是內河中應用較廣泛的碼頭平面布置型式。但是，內河挖入式港池由于河寬突然擴大，流速減小，在港池內產生回流運動，從而導致水流中攜帶的大量泥沙在港池內落淤，長期以來內河（特別是多沙河段）挖入式港池的水流泥沙特性是工程界十分關注的問題［1-2］，因此研究挖入式港池的水流運動特性對于認識挖入式港池的淤積特性，優化港池的設計布置，從而達到防淤、減淤具有重要的現實意義。目前，內河挖入式港池內的水流運動特性研究還主要依靠模型試驗的方法，隨著計算機技術的日趨成熟和計算機性能的不斷提高，數值模擬花費少、速度快、信息完整等優點逐步顯示出來，并逐漸被工程界所接受，成為物理模型試驗的重要補充手段。

對于內河挖入式港池的水流特性數值研究，國內外學者已經做了不少。如王家會等［3］在三維水流數學模型中對自由水平面位置、垂線平均流速的確定及各方程迭代求解時的不同修正等方程進行探討。周旦［4］應用數學模型對回流區的表面流速、回流范圍進行計算。

本文綜合考慮各方面的因素，結合物理模型試驗［5-8］，同步對內河挖入式港池進行了三維流場的數值模擬研究，以全面了解內河挖入式港池的回流流速的分布規律，為挖入式港池的防淤、減淤提供依據。

1 物理模型試驗

長沙理工大學水利工程學院在寬1.5 m、長30 m的矩形水槽內對挖入式港池內的回流流速規律進行了試驗研究。港池布置在水槽的中部，試驗流量由上游的三角薄壁堰測定，表面流場采用基于粒子圖像測速技術的流場實時測量系統（VDMS）量測。試驗布置見圖1。

2 數學模型

2.1 網格的生成

在挖入式港池計算區域網格的生成過程中，網格的布置充分考慮水力要素的變化：水力要素變化大的區域網格密集，變化平緩的區域網格疏松（圖2，圖3）。從圖2和圖3中可以看出，在自由面附近，網格在垂向上的密度比其他部分大很多，這是因為水質點的運動速度只有在自由表面附近是顯著的，隨著水深的加大，水質點的運動速度呈指數衰減，加密網格是為了很好地捕捉自由面附近水流的變化情況，而在其他部分將網格合理的稀疏是為了減少不必要的計算負擔。

圖1 挖入式港池試驗布置示意圖Fig.1 Experimental arrangement of dredged harbor basins

圖2 立面網格分布圖Fig.2 Vertical distribution of grid

圖3 平面網格分布圖Fig.3 Plane distribution of grid

2.2 控制方程

本文采用通用性能好且工程中普遍應用的k-ε兩方程模型模化湍流，控制方程如下

式中：t為時間；ρ和μ分別為密度和分子粘性系數；μi和xi分別為速度分量和坐標分量；P為修正的壓力；湍動粘度μt可以表示成k和ε的函數，即

2.3 離散方案及邊界條件

在計算域中采用有限體積法進行控制方程的離散。速度壓力耦合采用SIMPLEC算法。進口采用速度邊界條件，由流量以斷面平均流速給出；出口采用給定恒定水位；自由表面的追蹤則采用體積率法（VOF），VOF是用體積率函數來表示各相所占的體積，簡單易行，對于具有明顯分界面的兩相流動，有很好的模擬效果。近年來在水利工程中應用頗多。

3 計算結果分析

本文建立與物理模型試驗同樣尺寸的數值模型，通過改變主流流速V、港池軸線與主流流向的夾角θ計算了4種工況，最后所得回流橫軸流速橫向分布與實測值的比較如圖4。計算值與試驗值吻合較好。能夠準確模擬出垂線流速沿橫向分布規律，垂向流速值從中間向兩側逐漸增大，邊壁處比中心的流速變化幅度大；垂向流速值隨著主流流速的增大也相應增大。只是在主流流速小的時候，計算值與試驗值稍有差別，這主要是因為模型網格以及流體的物理特性的影響。

圖4 垂線平均流速計算值與試驗值對比圖Fig.4 Comparison between numerical results and model test data of average vertical velocity

4 結論與展望

（1）采用VOF法和標準κ-ε湍流模型相結合的方法對內河挖入式港池回流流速分布規律的模擬是比較成功的。計算所得回流橫軸流速的橫向分布與物理模型試驗數據吻合較好。

（2）回流橫軸斷面上各測線平均流速從回流中心向兩側逐漸增大。

（3）鑒于數值模型具有省時、省力、節省費用以及修改方便的優點，在今后的研究中可以開展挖入式港池內水流運動特性對泥沙淤積的影響。

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［8］Prandtl L.流體力學概論［M］.北京:科學出版社，1984.

Numerical simulation of counterflow velocity distribution rule in dredged harbor basin

DAI Yong1，WANG Ding-lue2
（1.Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.，Ltd.，Nanjing 210005，China；2.College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Using κ-ε two equation model，the 3-D numerical model of dredged harbor basins was established to analyze the characteristics of flow field at the dredged harbor basins under different vertical velocities and different angles between basin axis and mainstream flow.The counterflow velocity distribution was obtained.The results show that the vertical velocity increases with a corresponding mainstream velocity，and average velocity increases gradually from the center to both sides of the basin cross-section.Comparison between the numerical results and model test data shows a satisfactory agreement.

dredged harbor basin；numerical simulation；counterflow；velocity distribution rule

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2012）04-0299-04

敬告讀者：本刊開通在線投稿系統

2011-10-26；

2011-12-12

戴勇（1979-），男，江蘇省鹽城人，工程師，主要從事港口及航道工程設計工作。Biography：DAI Yong（1979-），male，engineer.

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