固定邊界水流流場(chǎng)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，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(chǎng)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(duì)象數(shù)值模擬以其限制條件小、建模周期短、建模成本低、計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)廣泛適用于目前各高校的科研領(lǐng)域，在未來(lái)也必將成為科研發(fā)展的主流趨勢(shì)。在此背景條件下，以固壁邊界水流流場(chǎng)作為分析研究對(duì)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(chǎng)

1 研究背景

中國(guó)是一個(gè)多河流的國(guó)家，內(nèi)河航道通航里程位居世界第一[1]。內(nèi)河航運(yùn)是國(guó)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(yùn)能大、效益高六大優(yōu)勢(shì)，是綜合運(yùn)輸體系中發(fā)展的重點(diǎn)，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(guó)區(qū)域開(kāi)放開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略布局已進(jìn)入到“沿海、沿江”并重的時(shí)期。今后20～30年是依托內(nèi)河水運(yùn)資源實(shí)現(xiàn)沿江地區(qū)、內(nèi)陸地區(qū)和沿海地區(qū)同時(shí)發(fā)展的時(shí)代，內(nèi)陸地區(qū)擴(kuò)大開(kāi)放成為國(guó)家戰(zhàn)略，我國(guó)進(jìn)入了內(nèi)河水運(yùn)大規(guī)模開(kāi)發(fā)的新時(shí)期[2]。

我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)潛力巨大，但開(kāi)發(fā)利用不足。其中，內(nèi)河航道里程12.3萬(wàn)km，僅占河流總長(zhǎng)的29%；內(nèi)河千噸級(jí)以上航道的里程占總航道里程的7%，而美國(guó)達(dá)到61%，德國(guó)更達(dá)到70%。

國(guó)務(wù)院2011年2號(hào)文件指出：加快長(zhǎng)江等內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展有利于構(gòu)建現(xiàn)代綜合運(yùn)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(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，有利于促進(jìn)節(jié)能減排。對(duì)優(yōu)化交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，降低社會(huì)綜合物流成本，增強(qiáng)國(guó)防交通功能，構(gòu)建現(xiàn)代綜合運(yùn)輸體系的重大戰(zhàn)略部署等均具有重大意義。

目前，在航運(yùn)信息化的發(fā)展趨勢(shì)背景下，眾多高校以及科研設(shè)計(jì)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(cè)費(fèi)用，節(jié)約大量人力物力財(cái)力，還可以通過(guò)精確的參數(shù)率定提高模型精度，是未來(lái)河流研究和技術(shù)探討的主流趨勢(shì)[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(chǎng)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(shì)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(duì)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(shí)現(xiàn)水流數(shù)值化建立，是航運(yùn)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(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化”已經(jīng)成為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略舉措。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》提出的11個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域中，重點(diǎn)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(diǎn)開(kāi)發(fā)綜合交通運(yùn)輸信息平臺(tái)和信息資源共享技術(shù)。國(guó)務(wù)院2011年2號(hào)文件提出：要加快南京長(zhǎng)江下游航運(yùn)中心建設(shè)，推進(jìn)水運(yùn)信息化，建設(shè)水運(yùn)公共信息服務(wù)系統(tǒng)[4]。

在航運(yùn)硬件設(shè)施和航運(yùn)量飛速發(fā)展的同時(shí)，航運(yùn)軟件設(shè)施發(fā)展則相對(duì)滯后[5]。由于中國(guó)水資源發(fā)達(dá)、河流眾多，要構(gòu)建中國(guó)內(nèi)河水運(yùn)公共信息服務(wù)平臺(tái)，就必須將內(nèi)河水資源信息化、數(shù)字化，以實(shí)現(xiàn)中國(guó)內(nèi)河水運(yùn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理、動(dòng)態(tài)模擬及跟蹤。因此，水流數(shù)值化建立的實(shí)現(xiàn)，是航運(yùn)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(jì)性的需要

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速騰飛以及對(duì)內(nèi)河航運(yùn)、水利發(fā)電等技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，國(guó)家有關(guān)部門(mén)愈發(fā)高度重視對(duì)河流資源的利用，國(guó)家有關(guān)部門(mén)、各高校以及眾多科研單位加大了對(duì)河流的原型觀測(cè)與規(guī)律研究。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅在2009年，我國(guó)各交通部門(mén)、科研單位用在天然河流水力因子的原型觀測(cè)、物模建立的費(fèi)用就達(dá)到42.5億元，數(shù)額十分巨大，如果通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算測(cè)定，則可大幅度節(jié)約測(cè)量經(jīng)費(fèi)。

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

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(dòng)力學(xué)計(jì)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(jì)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(guò)程具有較強(qiáng)的靈活性，能夠滿足復(fù)雜邊界問(wèn)題的需要，同時(shí)在間斷問(wèn)題的數(shù)值模擬方面顯示了獨(dú)特的效果（譚維炎）。近年來(lái)，以Riemann解為基礎(chǔ)的Godunov型格式成為求解淺水大梯度流動(dòng)的主要方法，而如何處理任意的水下地形使計(jì)算格式保持較好的和諧性成為Godunov格式當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

3.2 數(shù)學(xué)模型模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀

在國(guó)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(duì)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(duì)平面二維模型進(jìn)行了擴(kuò)展。在國(guó)外，也有許多較為成功的模型，如荷蘭Delft水力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(guó)Karlsruhe大學(xué)的FAST 2D模型、美國(guó)Mississippi大學(xué)水科學(xué)計(jì)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(zhuān)利成果較少，能夠查詢到的為數(shù)不多的專(zhuān)利也僅僅是應(yīng)用了成熟的數(shù)值模擬方法針對(duì)某一問(wèn)題進(jìn)行了小的技術(shù)處理。一方面，這可能跟其專(zhuān)業(yè)性質(zhì)有關(guān)，另一方面則是因?yàn)閿?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(shí)，目前在這方面沒(méi)有形成大的突破。在實(shí)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(duì)具體的問(wèn)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(shí)產(chǎn)權(quán)的突破性的專(zhuān)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(shí)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(shí)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(duì)水力因子的模擬計(jì)算及提取

在實(shí)際工程方案設(shè)計(jì)中，常常遇到業(yè)主提供的資料有限、資料施測(cè)范圍有限或者提供資料測(cè)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(jì)。在此情況下，如果重新進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)也將產(chǎn)生大量測(cè)量費(fèi)用，甚至由于某些工況的及時(shí)性無(wú)法再次測(cè)量。因此，可考慮根據(jù)各個(gè)邊界控制情況，建立二維數(shù)模進(jìn)行模擬計(jì)算，在模擬計(jì)算后，可輕易提取計(jì)算區(qū)域內(nèi)任何一點(diǎn)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(jì)算不受環(huán)境條件的影響，不受場(chǎng)地、時(shí)間等因素的限制，避免模型試驗(yàn)與原型測(cè)量，節(jié)約大量的時(shí)間、物力、人力資源，十分經(jīng)濟(jì)。

4.3 工程整治方案效果對(duì)比

在河道整治方案確定前，必須對(duì)整治方案的效果進(jìn)行對(duì)比分析，最重要的參考依據(jù)和指標(biāo)就是整治前后流場(chǎng)的對(duì)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(duì)比，然而由于物理模型制作困難，比例尺難以確定，且耗時(shí)耗力，非常不經(jīng)濟(jì)，因此可考慮使用數(shù)值模擬的方法來(lái)代替。

把某河段在方案整治前、整治后的流場(chǎng)繪制下來(lái)，如圖5-6所示，并計(jì)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(duì)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(chǎng)

圖6 研究河段方案整治后流場(chǎng)

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(dòng)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(jì)越來(lái)越受到重視，挖入式港池在我國(guó)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(dòng)力條件分布規(guī)律十分復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此的研究尚處于起步階段，港池平面形態(tài)的布置設(shè)計(jì)往往依據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，在此前提下設(shè)計(jì)的挖入式港池普遍存在淤積嚴(yán)重、清淤困難的問(wèn)題。因此，可通過(guò)對(duì)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(yùn)動(dòng)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)值離散及數(shù)值化成圖

一般情況下，由于對(duì)天然河流的各因子（如地形高程）測(cè)量都是離散隨機(jī)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖8所示，無(wú)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)離散成二維平面圖，如圖9所示。

圖8 研究河段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)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(duì)碼頭岸線影響對(duì)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(duì)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(jì)方案，就必須充分考慮各極端工況下的流場(chǎng)、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(chǎng)情況，如圖10-17所示。

圖10 研究河段在工況一下的流場(chǎng)分布

圖11 研究河段在工況二下的流場(chǎng)分布

圖12 研究河段在工況三下的流場(chǎng)分布

圖13 研究河段在工況四下的流場(chǎng)分布

圖14 研究河段在工況五下的流場(chǎng)分布

圖15 研究河段在工況六下的流場(chǎng)分布

圖16 研究河段在工況七下的流場(chǎng)分布

圖17 研究河段在工況八下的流場(chǎng)分布

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)交通部門(mén)及有關(guān)單位對(duì)河流資源開(kāi)發(fā)重視程度的提高以及航運(yùn)信息化的大環(huán)境背景，加快航運(yùn)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(shì)。因此，大力推動(dòng)河流數(shù)值模擬技術(shù)具有十分重要的意義與價(jià)值。

與以往的原型觀測(cè)和物理模型試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬技術(shù)計(jì)算精度高、計(jì)算結(jié)果直觀且容易輸出，使用數(shù)模計(jì)算不受環(huán)境條件的影響，不受場(chǎng)地、時(shí)間等因素的限制，能節(jié)約大量的時(shí)間、物力、人力資源，成本極低，經(jīng)濟(jì)效果十分明顯。同時(shí)，將河流數(shù)值模擬的方法應(yīng)用到航道項(xiàng)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(dòng)回水區(qū)末端段復(fù)合水動(dòng)力條件分析及對(duì)泥沙輸移的影響[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

[3]張強(qiáng)，劉現(xiàn)鵬.岸坡土體變形對(duì)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(yùn).汛限水位優(yōu)化調(diào)度對(duì)三峽水庫(kù)泥沙淤積的影響[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，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(guó)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。