mike21计算软件及其在长兴岛海域改造工程上的应用

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1、第28卷第6期大连大学学报Vo.l28No.62007年12月JOURNALOFDALAINUNVIERSITYDec.2007MIKE21计算软件及其在长兴岛海域改造工程上的应用陈雪峰,王桂萱(大连大学土木工程技术研究与开发中心,辽宁大连116622)摘要:MIKE21数值计算与分析软件是国际上比较成熟的DHI软件系列中关于水动力、波浪和泥沙输运等模型进行潮流场、代表波要素的波浪场和泥沙输运的数值模拟工具,在国内至少有上百个成功的工程实际计算实例.本文以作者正在进行的/长兴岛附近海域原油码头项目)))泥沙冲於0为工程背景,详细介绍了该计算软件的计算方法,将该数值计算软件

2、的模拟结果与实际泥沙冲淤规律进行对比,二者符合较好,说明本文建立的数值模型可以成功地预测长兴岛附近海域泥沙淤积的规律,为工程设计单位提供指导.关键词:MIKE21计算软件;长兴岛海域;泥沙冲淤规律中图分类号:P753文献标识码:A文章编号:1008-2395(2007)06-0093-06收稿日期:2007-09-03;修订日期:2007-09-14作者简介:陈雪峰(1973-),女,副教授,博士后,主要从事港口工程、海岸及近海工程、结构工程研究1中国经济的腾飞使中国与国际在海上交通和运输方面越来越频繁,我国各大港口、码头和防波堤等近海建筑物担负着愈来愈重要的作用,致使近

3、海水域的水动力、波浪和泥沙输运规律越来越被人们关注.如何准确、详细地描述近海流域的流场变化、波浪冲击规律以及近海建筑物附近的水流和波浪掀沙能力等成为国际上日益迫切需要解决的问题.鉴于上述原因,丹麦数百位数学家、水力学家以及计算机[1]科学家等历经几十年成功开发了DHI软件系列,从工程的具体地理位置和地形形态,流体在水渠、江河、海域的一维、二维、三维等运动,波浪在各个方面的传播以及水流、波浪共同作用下泥沙的运动规律[1]等进行了详细地分析和数值模拟.大连大学土木工程技术研究与开发中于2003年购置了MIKE21计算软件,该软件包括流体运动模块(FLUIDMODEL)、波浪传

4、播模块(WAVEMODEl)以及泥沙运动模块(SEDIMENTMODEL).其中流体运动模块(FM)可以给出工程附近水域的流场质点的流速及流向,该模块还可以计算污染物质在水体的输移和扩散规律;波浪传播模块(WAVEMODEl)包括NSW、BW、PMSW以及EMSW等,可以计算波浪由外海向近海的传播变形,风生成浪以及近海建筑物附近的波浪变形问题;泥沙运动模块(SEDIMENTMODEL)有悬移质和推移质2个模块.应用MIKE21计算软件,该中心成功地进行了很多实际工程项目的模拟,包括广西沙田渔港、舟山市虾峙渔港防波堤设计波浪要素、胜利油田附近泥沙淤积、长兴岛附近海域波浪变形

5、及泥沙冲於规律、香炉礁船坞工程附近水域波浪数值计算、大连燃供码头工程设计波浪要素及港内波况的数值计算、上海洋山港附近海域波浪变形以及大窑湾附近波浪、水流的变化规律等,上述数值计算结果均被工程采用,对工程实际其一定的指导作用.本文以作者正在进行/长兴岛附近海域原油码头工程项目0为背景,详细介绍了该计算软件的计算方法,将该数值计算软件的模拟结果与实际泥沙冲淤规律进行对比,二者符合较好,说明本文建立的数值模型可以成功地预测长兴岛附近海域泥沙淤积的规律,为工程设计单位提供指导.1MIKE21软件数学模型及计算方法简介1.1FM数学模型该模型所采用的潮流控制方程为垂向平均的连续方程

6、和运动方程:5G5(Hu)5(Hv)++=0(1)5t5x5y94大连大学学报第28卷5u5u5u5G1sb+u+v-fv=-g+(Sx-Sx)(2)5t5x5y5xQH5v5v5v5G1sb+u+v-fu=-g+(Sy-Sy)(3)5t5x5y5yQH式中,t为时间;x和y为原点置于未扰动静止海面的直角坐标系坐标;u和v分别为沿x、y方向的垂向平均流速分量;H=h+G为总水深;h为海底到静止海面的距离;G为自静止海面向上起算的海面波动(潮ss位);f=2XsinU为柯氏参数,其中X是地转角速度、U是地理纬度;g为重力加速度;Sx和Sy分别为海面bb风应力在x和y方向的分

7、量;Sx和Sy为海底涡动摩擦应力在x和y方向的分量;Q为海水密度.ss在本研究中不考虑风应力影响,即Sx=Sy=0,而底摩阻取二次律,即:bQg221/2bQg221/2Sx=2(u+v)u;Sy=2(u+v)v(4)CC1/6式中,C为谢才数,它与曼宁数M的关系为C=M@h.方程(1)、(2)和(3)构成了求解潮流场的基本控制方程.为了求解这样一个初边值问题,必须给定适当的初始条件和边界条件.1.2波浪数学模型MIKE21软件系统中的Boussineq模型可以模拟外海波浪传播至防波堤处的传播过程.该模型考虑了浅水效应、折射、