高桩码头对河道流场影响的数值模拟

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1、第32卷第2期河海大学学报(自然科学版)Vo1．32No．22004年3月Joun~ofHohaiUniversity(NaturalSciences)Mar．20o4高桩码头对河道流场影响的数值模拟李光炽，周晶晏2，张贵寿(1．河海大学水资源环境学院，江苏南京210098；2、河海大学交通与海洋工程学院，江苏南京210098：3、绍兴文理学院土木工程系，浙江绍兴312000)摘要：在讨论高桩码头对河道流场影响数值模拟方法的基础上，为确保流场模拟精度，采用正交边界拟合坐标变换法模拟弯曲变化的河道计算域，应用二维全隐式耦合联解模型离散控制方程、矩阵追赶法求解代数方程

2、．同时引进过水率和修正糙率的概念并提出了间接等效模拟高桩码头对流场影响的方法．算例表明，该方法是行之有效的．关键词：二维水流模拟；矩阵追赶法；高桩码头中图分类号：TV131．4文献标识码：A文章编号：1000—1980(2004)02—0216—05探讨码头建设对河道流场的影响，对工程规划设计和运行管理来说，是十分必要的．不同形式的码头对河道流场的影响是不同的，本文结合工程实际研究高桩码头对河道流场的影响．高桩码头对河道流场影响的模拟可采用物理模拟方法或数值模拟方法．对于大尺度的流场模拟，从经济和技术角度考虑，数值模拟具有较大的实用价值．。高桩码头对河道流场影响的

3、数值模拟，包括河道流场模拟和码头工程对河道流场作用的模拟．对河道流场模拟，考虑河道计算区域尺度和工程建筑物尺度相差悬殊，通航河道的平面边界弯曲复杂，为保证计算精度，采用正交边界拟合坐标下的全隐式差分耦合联解模型．对码头工程影响的模拟可采用直接模拟法或间接模拟法，综合考虑精度要求和模拟成本，本文采用间接等效模拟方法．1基本方程及边界条件描述平面二维水流运动的基本方程组为刁Z刁uh3vh一3t++g3uOu3uOZ++u“++7y++g++g——u“一一：(I舞)+(I3u)J(1)3v3v++u“++雾+g一3Zx+g——+／“：Ux(Ex3v一。)+(I巴))J式

4、中：t，，y——自变量时间及平面坐标；JIl——水深，h=Z—ZD，Z为水位，z￡)为河床高程；u，——和Y方向的流速；n——河床糙率；产__柯氏系数；Ex，E——和Y方向上的离散系数；q——源项．．对于固壁边界，采用不穿透条件V·，l=0(，l为固体边界的法向矢量)(2)对于自由边界(一般为上、下边界)，采用如下边界条件：f上边界：ZE为已知，假定水位无横比降【下边界：z下为已知，假定水位无横比降对于河道型计算区域，由于其边界复杂，且长、宽尺度相差悬殊，因而在直角坐标系下对上述定解问题进行求解存在着复杂边界不易拟合、网格多等困难．为此，采用正交边界拟合坐标变换：

5、收稿日期：2003—09—02作者简介：李光炽(1957一)，男．福建德化人，副教授，博十，主要从事计算水力学研究第32卷第2期李光炽，等高桩码头对河道流场影响的数值模拟2l7+雾=P(g,r／,x,y)a2g]+c-)y2=Q((4)通过方程式(4)的变换，可把xoy坐标平面上复杂的计算域转换成叩平面上的矩形域，平面上的曲线网格变成~-o,1平面上间距为1的正方形网格．P，Q为待定因子，适当选择P，Q可使网格疏密根据需要分布，或使曲线网格正交．采用新坐标系统的自变量t，，77后，基本方程式(1)变成[]万OZ+{丢(gvu~h+(^)=。aa*rg刁g翌gn、／

6、+￡gaZ一3t++百+丁一了+—～厂一+吴(一((5)一3t++++++丁舞一等了+——％厂_生_++焉a77=1~(EcA)+吴()A={丢(“g)+())B=jfta~r"g)一(“歇))式中：“，——沿和77方向的流速；g，g——曲线网格的长度和宽度，g=、／厂，g：~／孺；．，——曲线网格的面积，．，=g髫；“，与“，之间的变换关系为“=(“ax+Oy)=(“莠+3y)通过正交变换，把原来在坐标系统中利用方程(1)求解变量Z，“，变为在77坐标系统中利用(5)求角荜Z川⋯．2全隐式耦合联解模型2．1节点布置采用控制体积法离散方程，为了更好地模拟边界条件，

7、变量交错布置，即在网格中心布置水位变量，在网格四边布置相应的流速变量．对于具有(2N+1)(2M+1)的计算网格，上、下边界布置水位，水位z有(Ⅳ+1)M个节点，流速“有NM个节点，流速有(Ⅳ+1)(+1)个节点．考虑到两岸固壁边界条件(2)，通过正交变换，两岸流速=0，待求的流速有(Ⅳ+1)(M一1)个节点．2．2方程离散对河道流场的模拟，由于流态变化剧烈，网格长宽尺寸相差悬殊，在河宽方向上的网格宽度一般均较小，为了确保较高的精度要求，采用全隐式离散、矩阵追赶法求解．差分离散方法如下：时间项采用向前差分，扩散项采用中心差分，对流项采用逆风格式，非线性项采用局部线

8、性化方法．