柵欄板護面斜坡堤越浪數值模擬研究

閆科諦，張慶河

（天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津　300072）

柵欄板護面斜坡堤越浪數值模擬研究

閆科諦，張慶河*

（天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072）

基于計算流體力學開源軟件OpenFOAM，利用數值波浪水槽建立了斜坡堤越浪模擬模型。模擬了規(guī)則波作用下光滑坡面斜坡堤的越浪過程，并將越浪量計算結果與已有的斷面實驗數據進行了比較，兩者較為吻合，從而驗證了模型的合理性。進一步針對規(guī)則波作用下柵欄板護面斜坡堤越浪過程進行模擬，通過網格細分，刻畫出了柵欄板凹槽的形狀，比較了斜坡堤在鋪設柵欄板斜坡堤的情況下和光滑堤面情況下的波浪爬坡示意圖，結果表明柵欄板對波浪爬坡有阻礙作用。計算得到柵欄板凹槽內的流場圖和波浪爬坡過程中的湍動能耗散圖，討論了柵欄板的消能過程。比較了無柵欄板和有柵欄板情況下的越浪量，結果表明柵欄板護面對斜坡堤越浪量的折減系數約為0.81。

OpenFOAM；規(guī)則波；越浪；柵欄板

0　引言

斜坡式海堤是圍海工程中常見的護岸建筑物，海浪與斜坡式護岸建筑物接觸后會沿建筑物的坡面向上爬高，當爬高超過堤頂時即發(fā)生越浪。越浪會對后方區(qū)域的使用造成影響，準確確定越浪量是斜坡堤設計的關鍵問題之一。

國內外早期研究越浪主要以物理模型實驗為主，近年來，隨著并行計算和計算機技術的發(fā)展，利用數值方法模擬越浪受到人們的關注。Hu等[1]發(fā)展了基于淺水方程的AMAZON模型模擬了波浪在斜坡堤和直立堤上的越浪過程，吳辰等[2]利用基于非靜壓方程的SWASH模型模擬了規(guī)則波和不規(guī)則波在斜坡堤上的越浪過程，但這類方法對于自由表面有劇烈翻卷和摻氣的情況并不完全適用。基于計算流體力學（CFD）的數值模型可以更為準確地模擬波浪爬坡和越浪過程，劉亞男等[3]基于FLUENT流體軟件，模擬了規(guī)則波在光滑不可滲透斜坡堤上的越浪過程，并與Saville[4]的物理實驗結果進行了對比。張九山等[5]將多孔介質模型作為耗散源項添加到動量方程中，模擬了帶異形塊體海堤的越浪過程，給出了異型塊體多孔介質模型的阻力系數，王鵬等[6]通過FLUENT軟件平臺的二次開發(fā)功能實現(xiàn)了質量源造波，在動量方程中添加多孔介質源項，對斜坡堤上鋪設異型塊體時的爬高與越浪進行了數值模擬。上述研究工作尚無法做到精確刻畫出護面塊體的形狀，模擬出波浪與塊體作用時的流場變化，因此進一步發(fā)展精細數值模型描述斜坡堤越浪現(xiàn)象對海堤設計具有重要意義，值得進一步探索。

本文將利用管寧[7]基于OpenFOAM開源軟件建立的數值波浪水槽，通過網格剖分實現(xiàn)對柵欄板形狀的描述，模擬規(guī)則波作用下帶柵欄板護面的斜坡堤越浪過程，與已有的實驗數據進行比較，驗證計算結果的準確性，并進一步討論柵欄板對于越浪量的影響。

1　控制方程

本文采用OpenFOAM中的兩相流模型，通過求解RANS方程，模擬水體和空氣兩相不可壓縮流體的運動，紊流模型選取RNG模型。采用VOF方法捕捉交界面，流體運動滿足不可壓縮連續(xù)性方程和時均N-S方程，VOF中體積函數需要滿足對流方程。控制方程如下:

式（1）為連續(xù)性方程，式中:U是速度矢量。式（2）為動量方程，式中:ρ為流體密度；μeff是考慮了分子動力黏性和紊流作用的渦黏性系數，μeff=μ+ ρvturb，vturb為紊動黏滯系數，vturb=ρCμk2/ε；p_rgh是修正壓力，p_rgh=p-ρg·X，X是位置矢量。式（3）為VOF方法中求解體積函數的對流方程。γ為流體體積函數，是一個定義在每個單元中心的標量，取值在0~1之間，等于0表示該單元完全被空氣填滿，等于1代表單元全部被水填滿，在0到1之間說明單元內部是空氣和水的混合體。與經典N-S方程相比，動量方程右端增加了兩項，式中:ρS為分布造波源項；ρrU為消波項；r為阻尼消波系數[7]。

2　光滑斷面越浪模擬與試驗結果的比較

Saville[4]在水槽中進行了系列規(guī)則波作用下斜坡堤爬高和越浪實驗，得到了大量的實驗數據，Hu[1]和劉亞男[3]分別依據AMAZON和Fluent進行了數值模擬的驗證。本文的OpenFOAM模擬結果與這些數據進行比較，以驗證模型的有效性。

圖1給出了OpenFOAM模型、AMAZON模型和Fluent模型模擬結果和實驗值的比較，由結果可以看出，OpenFOAM模擬斜坡堤越浪的結果與實驗結果吻合較好，也與已有數值模型結果較為接近，表明利用OpenFOAM模型研究斜坡堤越浪是可行的。

圖1　不同模型越浪量計算值與實驗值比較Fig.1　Comparison of the overtopping calculated value and experiment data by different models

3　帶柵欄板的斜坡堤越浪模擬

3.1實驗與數值模擬設置

朱偉娜[8]和張志杰等[9]在風浪流水槽中進行了柵欄板護面斜坡堤上的越浪實驗。如圖2所示，海堤模型的坡度為1∶3，堤頂高程為35.5 cm，柵欄板護面凹槽高度為2 cm，寬1.5 cm，間隔為1.5 cm。實驗水深為0.3 m，波高為0.1 m，周期為1.2 s和1.8 s。

圖2　鋪設柵欄板斜坡堤示意圖Fig.2　Sketch of sloping dike with fence panels

本算例時間離散仍采用動態(tài)時間步，最大值不超過T/100，縱向空間步長Δx=L/100，垂向空間步長取波高的1/20，造波源中心位于堤前6倍波長處。對鋪設柵欄板的斜坡堤計算區(qū)域網格進行加密，縱向空間步長取0.167 cm，從堤底到計算區(qū)域頂部垂向空間步長均取0.167 cm。對柵欄板凹槽進行精確刻畫，如圖3，每個凹槽內部都劃分為9×9的網格，即每個網格的尺寸統(tǒng)一取為0.167 cm×0.222 cm。通過對網格的剖分，較為準確地刻畫出柵欄板的形狀，提高計算精度。

圖3　柵欄板凹槽細部網格圖Fig.3　The mesh for the grooves of fence panels

應當指出，本文在刻畫柵欄板形狀時，采用了和物理模型實驗相對應的矩形體，而JTS 154-1—2011《防波堤設計與施工規(guī)范》[10]中規(guī)定的工程中應用柵欄板的形狀并非為矩形體，而是上部寬下部窄的梯形體，而且實際工程中柵欄板下面的堤面是可滲透的，并不是光滑不透水的，所以本文模擬的結果和實際工程相比有一定的差別，有待進一步研究。

3.2有無柵欄板坡面爬坡與越浪過程模擬結果比較

圖4顯示了波浪周期T=1.8 s的情況下，單個波浪從傳播到堤前然后開始爬高、越浪的過程，可以看到，波浪爬坡過程大致為，波浪傳播至堤前—翻卷破碎—水體上升—到達堤頂形成越浪。

比較無柵欄板和有柵欄板的越浪過程可以觀察到，帶柵欄板的斜坡堤波浪發(fā)生翻卷的時間明顯晚于無柵欄板的情況，發(fā)生翻卷時帶柵欄板的波浪波面線陡度明顯小于無柵欄板的情況，有柵欄板的情況下翻卷、拍擊堤面的水體量明顯少于無柵欄板的情況，水體反卷時卷入空氣的量和氣泡的大小也明顯小于無柵欄板時的情況，氣泡更加分散。可以看出，帶柵欄板的情況下，水體翻卷、卷吸空氣、拍擊堤面的現(xiàn)象明顯減弱。柵欄板會對波浪爬高產生阻礙作用。

圖4　波浪爬高越浪過程波面示意圖Fig.4　Sketch of surface elevation of wave run-up and overtopping

3.3柵欄板影響的細部流場和湍動能耗散率分析

圖5顯示了柵欄板凹槽內部水體流場在波浪爬高過程中的變化，水體處于回流階段時，槽內存在逆時針的漩渦。波浪開始爬高后，在向上的水體的帶動下，凹槽上部出現(xiàn)順時針的漩渦，下部仍為逆時針漩渦。隨著水體繼續(xù)向上爬高，順時針的漩渦逐漸發(fā)展，逆時針漩渦越來越小，最終槽內完全形成順時針旋轉的漩渦。圖6顯示了波浪爬坡某時刻的湍動能耗散率分布圖，深淺黑色條代表湍動能耗散率的大小，單位為J/（kg·s）。可以看出，帶柵欄板的海堤堤面湍動能耗散率明顯大于無柵欄板的海堤，柵欄板附近對水體動能的耗散有明顯的影響。本文模擬結果與張志杰[10]通過Flow3D計算得到的結果一致。

圖5　柵欄板凹槽內流場變化圖Fig.5　Variation diagram of velocity fields in the grooves of fence panel

圖6　t=16.25 s湍動能耗散率分布比較圖Fig.6　Turbulent dissipation rate distribution at t=16.25 s

表1顯示了周期T=1.2 s和T=1.8 s情況下實驗實測和數值模擬的越浪量結果，可以看出，利用OpenFOAM模擬計算的越浪量與實驗值基本一致，堤面鋪設和不鋪設柵欄板的越浪量比值分別為0.81和0.82，與實驗數據基本相同，而且和范紅霞[11]通過物理模型實驗得到的柵欄板越浪量折減系數也是接近的。

表1　越浪量數值模擬結果與實驗結果Table 1　Comparison of overtopping numerical results and experiment results

4　結語

本文利用基于開源軟件OpenFOAM建立的數值波浪水槽，模擬了規(guī)則波在光滑不透水斜坡堤斷面上的越浪過程，得到的結果和實驗數據及現(xiàn)有的數值模型的計算結果較吻合，驗證了模型的有效性。進一步通過網格精細剖分模擬了柵欄板護面斜坡堤的越浪，通過分析柵欄板凹槽內部水體流場和柵欄板附近的湍動能耗散率，討論了柵欄板的消能原理。模擬得到了有柵欄板和無柵欄板護面斜坡堤平均單寬越浪量，與實驗值相比有較好的一致性。根據模擬結果，在相同的波浪作用下，相對于光滑坡面，柵欄板對于越浪量的折減系數在0.81左右。

防波堤越浪是十分復雜的過程，本文目前的精細模擬能夠通過網格細分刻畫護面塊體的結構，但對于護面塊體下方墊層和堤心堆石的影響尚未考慮。由于堤心石塊體很小，完全通過網格細分刻畫其滲流作用還不太現(xiàn)實，因此，將護面塊體精細模擬和滲流模型結合在一起模擬斜坡堤越浪過程是下一步將要進行的工作。

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[8]朱偉娜.規(guī)則波作用下海堤越浪流特征的實驗研究[D].上海:上海交通大學，2012. ZHU Wei-na.An experimental study on characteristics of overtopping flow against sea dikes in regular waves[D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2012.

[9]張志杰，吳衛(wèi)，王本龍，等.規(guī)則波作用下帶柵欄板海堤越浪的數值模擬[J].力學季刊，2012，33（2）:221-230. ZHANG Zhi-jie,WU Wei,WANG Ben-long,et al.Numerical simulation of overtopping against sea dikes with fence panels in regular waves[J].Chinese Quarterly of Mechanics,2012,33(2):221-230.

[10]JTS 154-1—2011，防波堤設計與施工規(guī)范[S]. JTS 154-1—2011,Code of design and construction of breakwater [S].

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Numerical simulation of overtopping on sloping dike with fence panels

YAN Ke-di,ZHANG Qing-he*
（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

Based on the open source software OpenFOAM,we established a numerical model of overtopping using the numerical wave tank,simulated the overtopping on a smooth slope dike under regular waves.The results are compared with physical model experiment data,proved that the results are in good agreement with the experimental data,which verifies the reasonably of numerical model.We further simulated the overtopping on a sloping dike with fence panels under regular waves, described the grooves of fence panels by subdividing the mesh in them,compared the sketches of wave run up under the slope dike and smooth dike with fence panels,the result shows that fence panels can hinder wave running up.Sketches of velocity fields in the groove and the turbulent dissipation rate distribution are showed in the article.The energy dissipation process of fence panels is also discussed.By comparing the overtopping discharges on slopes with and without fence panels,we obtained that the overtopping discharge friction of fence panels is 0.81.

OpenFOAM;regular wave;overtopping;fence panels

U653.4

A

2095-7874（2016）02-0016-04

10.7640/zggwjs201602004

2015-10-26

2015-12-01

閆科諦（1991—），男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為斜坡堤越浪的數值模擬。*通訊作者:張慶河，E-mail:qhzhang@tju.edu.cn