MIKE21模型在碼頭工程流場模擬中的應用研究

鄭志飛

MIKE21模型在碼頭工程流場模擬中的應用研究

鄭志飛

福建省水利水電勘測設計研究院

利用MIKE21軟件在閩江下游某碼頭工程所在河段建立水流二維數(shù)學模型，對碼頭建設前后流場變化進行了數(shù)值模擬，經(jīng)檢驗，計算結果較為合理，其精度可以滿足工程應用要求。

MIKE21軟件 碼頭工程 二維數(shù)學模型

1 引言

福建省位于我國東南沿海，地處長江三角洲和珠江三角洲的中間地帶，隔臺灣海峽與臺灣省隔海相望，福建省的碼頭岸線資源在全國名列第一。隨著我省建設海峽西岸經(jīng)濟區(qū)戰(zhàn)略構想的逐步推進，港口建設對推動經(jīng)濟的發(fā)展，將起到更為重要的作用。

由于港口碼頭工程占用部分河道，碼頭的支墩和平臺興建將占用河道的過洪斷面，前沿停泊水域和回旋水域可能會給河道的行洪產(chǎn)生一定的影響。本文以閩江某碼頭擴建工程為研究對象，工程所處位置水下地形較為復雜，加上閩江下游河段受徑流和潮流的雙重影響，水流條件也相對復雜。本文利用MIKE21軟件在碼頭工程附近河段建立水流二維數(shù)學模型，模擬碼頭擴建前后工程附近河段的流場變化，為碼頭擴建工程的設計方案優(yōu)化和施工工藝提出合理化建議。

2 MIKE21模型簡介

Mike21模型是丹麥水力學研究所開發(fā)的二維數(shù)學模擬軟件，廣泛應用于國內(nèi)外水動力模擬當中，取得了較好的效果，是目前國際上較為先進的模型之一。

Mike21是平面二維自由表面流模型，應用在河口、海灣以及海洋近岸區(qū)域的水流及水環(huán)境的模擬，可以用來模擬潮汐動力模擬、風暴潮、傳熱、鹽流、水質(zhì)、波浪紊動、潰壩、海嘯等方面的水流現(xiàn)象。在模擬二維非恒定流的同時，可考慮干濕變化、密度變化、水下地形、潮汐變化和氣象條件等影響因素。

2.1 模型基本方程[1]

連續(xù)方程：

動量方程：

2.2 數(shù)值解法

本次計算利用MIKE21FM非結構網(wǎng)格模型進行計算。非結構網(wǎng)格模型[2]中采用的數(shù)值方法是單元中心的有限體積法，如圖1所示?？刂品匠屉x散時，結果變量U、V位于單元中心，跨邊界通量垂直于單元邊。有限體積方法中法向通量的計算是通過在沿外法向建立單元水力模型，并求解一維黎曼問題而得到。模型中采用的時間差分格式見圖2。

圖1 非結構網(wǎng)格模型數(shù)值解法示意圖

圖2 時間差分格式示意圖

3 模型計算范圍

本次模型計算范圍上游起自吉安碼頭，下游至過嶼尾。模擬閩江下游河道全長5.0km，其中河道面積約3.6km2。為了盡可能準確反映工程區(qū)的流場，碼頭位置處網(wǎng)格進行局部加密。見圖3。

圖3 碼頭建設前后模型網(wǎng)格剖分圖

碼頭擴建工程實施前，碼頭位置處堤岸較為彎曲，受已建碼頭的阻水影響，靠近左側堤岸附近水域流速較小。碼頭工程實施后，新建碼頭平臺與已建碼頭平臺連接，碼頭左側與原堤岸邊界相接，碼頭前沿線以內(nèi)受棧橋及碼頭墩臺影響，水流阻力增加，因此碼頭前沿線以內(nèi)基本無過水能力，為死水區(qū)。為偏安全考慮，本次數(shù)學模型將新建碼頭前沿線作為碼頭建成后的堤岸邊界，碼頭位置處模型剖分網(wǎng)格見圖4。

圖4 碼頭位置處建設前后網(wǎng)格剖分圖

4 參數(shù)的確定

4.1 糙率系數(shù)

糙率系數(shù)通過模型的率定和驗證來確定，并參照一定的經(jīng)驗，取值范圍為0.028～0.032。

4.2 渦粘系數(shù)

根據(jù)Smagorinsky公式確定：

式中：U,V為X,Y方向垂線平均流速，△為網(wǎng)格間距，Cs計算參數(shù)，一般選0.25

4.3 動邊界處理

為保證模型計算的連續(xù)性，采用“干濕判別”來確定計算區(qū)域由于潮位漲落產(chǎn)生的動邊界、當計算區(qū)域水深小于0.2m時，該計算區(qū)域記為“干”，不參加計算；當水深大于0.3m時，該計算區(qū)域記為“濕”，重新參加計算。

4.4 邊界條件

模型中有兩個邊界，上游閩江干流入口邊界輸入各頻率的設計洪峰流量，下游出口邊界輸入年最低潮位均值。

5 模型計算

5.1 模型驗證

利用河道恒定非均勻漸變流公式的常規(guī)計算方法推求閩江下游河段不同頻率設計洪水對應的水面線和斷面平均流速成果。常規(guī)方法計算水面線成果與模型計算水面線成果的對比見圖5和圖6，斷面平均流速計算成果的對比見圖7和圖8。

圖5 50年一遇水面線成果對比圖

圖6 100年一遇水面線成果對比圖

圖7 50年一遇流速成果對比圖

圖8 100年一遇流速成果對比圖

由常規(guī)算法和數(shù)模計算的沿程水面線及斷面平均流速成果的比較可以看出，數(shù)模計算水面線與常規(guī)算法的水面線成果較為一致，計算斷面平均流速與常規(guī)算法的斷面流速成果吻合較好，證明計算參數(shù)率定較為準確，因此利用MIKE21模型模擬計算碼頭擴建前后閩江下游河段的流場變化是可行的。

5.2 方案計算

為模擬碼頭擴建工程實施前后流速最不利情況，本次模型分別模擬計算100年一遇和50年一遇設計洪水遭遇多年最低潮位均值兩種方案。計算出河段流場分布情況見圖9～12。

圖9 碼頭建設前流場圖（50年一遇）

圖10 碼頭建設后流場圖（50年一遇）

圖11 碼頭建設前流場圖（100年一遇）

圖12 碼頭建設后流場圖（100年一遇）

從模型計算結果可以看出：發(fā)生50年一遇洪水遭遇多年最低潮位均值時，碼頭建設后，碼頭位置河道斷面縮窄，航道水域流速有一定幅度的增加，流速增大幅度約0.02～0.18m/s。碼頭建成后，受平臺及碼頭墩臺的阻水影響，碼頭附近河段流場有一定發(fā)生變化，對碼頭上游左側局部堤岸有一定沖刷，流速增大幅度約0.02～0.28m/s，碼頭建設對碼頭下游右側局部堤岸也有一定沖刷，流速增大范圍約0.02～0.08m/s。碼頭建設對上游流場影響范圍約710m，對下游流場影響范圍約380m。

發(fā)生100年一遇洪水遭遇多年最低潮位均值時，碼頭建設后，碼頭位置河道斷面縮窄，航道水域流速有一定幅度的增加，流速增大幅度約0.03～0.25m/s。碼頭建成后，受平臺及碼頭墩臺的阻水影響，碼頭附近河段流場有一定發(fā)生變化，對碼頭上游左側局部堤岸有一定沖刷，流速增大幅度約0.03～0.32m/s，碼頭建設對碼頭下游右側局部堤岸也有一定沖刷，流速增大范圍約0.03～0.10m/s。華潤水泥碼頭建設對上游流場影響范圍約750m，對下游流場影響范圍約410m。

碼頭建設后低潮位情況下，P=1%典型斷面平均流速達3.20m/s，局部流速大于4.0m/s，特別是碼頭平臺前沿點附近的流速在4.5m/s以上，水動力作用強。隨著流速增大水流的挾沙能力增強，加之在河中設墩，水流擾動程度加大，使碼頭所在斷面及下游附近河道的沖刷呈加劇趨勢。

6 結論

本文利用MIKE21軟件在某碼頭擴建工程附近河段建立水流二維數(shù)學模型， 對碼頭擴建前后工程附近河段的流場進行了數(shù)值模擬，經(jīng)檢驗，計算結果令人滿意，其精度可以滿足工程應用要求。

根據(jù)數(shù)學模型計算成果，碼頭擴建工程建設對附近河段流場有一定影響，工程建成后局部流速較大。建議碼頭擴建工程規(guī)模不宜過大，并盡可能近岸布置和建設，同時應做好碼頭自身的防沖設計。

[1] Mike21&MIKE3 FLOW MODEL FM Hydrodynamic and Transport Module Scientific Documentation[M].DHI Water & Environment, Denmark.2007.