混合有限分析法在桥墩水流数值模拟中的应用

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1、第41卷第7期人民长江Vol.41,No.72010年4月YangtzeRiverApr.,2010文章编号:1001-4179(2010)07-0075-04混合有限分析法在桥墩水流数值模拟中的应用方神光,黄胜伟,崔丽琴(珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东广州510611)摘要:在河道管理范围内布置桥墩时,较为关注桥墩对壅水和流态的影响,以柳州市局部柳江河道和拟建的维义大桥为例,分别建立大范围的河道和桥墩局部二维水动力数学模型,采用混合有限分析法进行了计算和求解。结果分析表明,维义桥的建设使局

2、部河道产生壅水现象并对河势存在一定的影响。同时也证实了该方法在工程实际应用中的准确性和有效性。关键词:混合有限分析法;二维水流数学模型;桥墩;壅水+中图法分类号:TV148.2文献标志码:A[10-12]在河道管理范围内布置桥墩时,由于占用了河道了计算软件平台。以柳州市局部柳江河道和该部分过水面积,往往会对河道的水位及河势造成一定河道上拟建的维义大桥为例,通过分别建立大范围的的影响,如引起工程局部壅水、近岸流速增大等。陆浩柳江河道和维义桥局部二维水动力数学模型的方法,等人对单桩进行了许多相关的理论和

3、试验分析等研究研究探讨该桥梁工程建成后对河道壅水和局部水流流[1-3]工作;周华兴等人对桩群阻力的概化提出了各自态的影响。其中,大范围的二维水动力数学模型主要[4-7]用于为桥墩局部水动力数学模型提供初始条件和边界的方法和理论研究成果。目前对桩墩的模拟主要采用两种模式:①局部阻力修正;②直接进行模拟。条件。对大范围的计算区域,常采用较粗的网格,由于桥墩尺1数学模型寸太小,常采用局部网格节点阻力修正的方法来体现采用正交曲线坐标系下的二维水深平均水动力数桥墩对水位壅高的影响;当要了解桥墩前后的局部流学模

4、型。态以及河势变化时,则需要采用精细网格直接进行模连续方程:拟的方法,即将桥墩所占据的区域作为陆域进行模拟计算[7]。5ζ15(HUGηη)++在进行桥墩局部水动力数值模拟计算时,有别于5tGξξGηη5ξ常用的半隐半显格式(ADI),本文采用纯隐格式的混15(HVGξξ)Q=(1)合有限分析法来离散和求解常用的曲线坐标系下的二GξξGηη5ηGξξGηη[8-9]维水动力学模型。该数值方法常用于局部区域流动量方程:场的精细模拟,保持了有限分析法的优点,同时避免了5UU5UV5U++=有限分析法中无

5、穷级数带来的不便,其计算结果的精5tGξξ5ξGηη5η22度、准确性和有效性在理论和应用基础研究领域已为15U15Ug5ζvt2+2--W.X.Huai等人所证实,并采用FORTRAN语言编制GξξGξξ5ξGηηGηη5ηGξξ5ξ收稿日期:2010-01-05基金项目:水利科技创新项目(XDS2007-2)作者简介:方神光,男,副研究员,博士,主要从事河流数值模拟研究。E-mail:fangshenguang@163.com76人民长江2010年225G值。gUU+VUVξξ2-+CHGξξG

6、ηη5η3计算模型网格及成果验证25VGηη+fV(2)GξξGηη5ξ3.1河道概况及网格布置5VU5VV5V柳江流经柳州的河段全长74km,水流相对较为++=5tGξξ5ξGηη5η平缓,拟建的维义桥位于柳州市柳江河道上游。为研22究分析该桥梁的建设对河道局部壅水和流态的影响,15V15Vvt2+2-GξξGξξ5ξGηηGηη5η本文采用大小模型嵌套的方式,大模型计算区域选取22柳州市凤山镇—西流村全长63.9km的河段作为计算g5ζgVU+VUV5Gηη5η-2-5ξ+河段;小模型计算区域长

7、1.12km,维义桥地处柳州市GηηCHGξξGηη西侧维义村附近的柳江河道,如图1所示;大模型计算25VGξξ+fU(3)结果一方面作为验证,另一方面为小模型提供初始条GξξGηη5η件和边界条件。柳州市区从维义村至西流村全长式中,U、V分别为ξ、η方向的垂线平均流速,m/s;ζ为20.01km河段地形采用最新实测资料,对不完整的河水位(基准面到自由水面的距离),m;Q为源汇项,道地形基础资料进行插补。大模型共布计算网格节点3m/s;H为总水深,m;Gξξ、Gηη均为曲线坐标到直741×21个,网

8、格节点间距约73m×24m;小模型共布3角坐标的变换参数,m;ρ为水体密度,kg/m;f为柯氏置网格节点273×321个,网格节点间距约8m×7m。-12系数,s;g为重力加速度,m/s;vt为紊动粘性系数,2m/s;t为时间,s。2数值计算方法应用本文提出的纯隐格式的混合有限分析法对该[9]方程进行离散。同时此处采用C型网格结合SIM2PLER算法用于速度和水位的耦合求解。由于采用曲线规则网格,计算是沿行或列进行,因此计算前首先需要对计算区域的复杂边界进行识别,其主