FVCOM模型在潜堤附近水流运动模拟中的应用-论文.pdf

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1、第35卷第4期水道港口V01．35No．42014年8月JournalofWaterwayandHarborAug．2014FVCOM模型在潜堤附近水流运动模拟中的应用吴毓儒，张庆河，严冰，杨华(1．天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2．交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456)摘要：采用FVCOM中的导堤一丁坝模块，对上挑形淹没丁坝附近的水流进行数值模拟，并与已有物理模型试验观测到的自由水面线和流速分布资料进行了比较。结果表明，FVCOM模型模拟结果与试验

2、结果有较好的一致性，模型能够合理描述潜堤顶部过水现象，反映潜堤附近三维环流特征。关键词：淹没丁坝；窄堤算法；自由水面；三维流场；有限体积法中图分类号：TVI41；O242．1文献标识码：A文章编号：l0O5—8443(20l4)04—0325一O6潜堤(本文中特指淹没式丁坝)是河流及海岸工程中常用的水工建筑物，可以起到调整水流方向、消减波高、阻挡近底泥沙运动以减少航道淤积或减弱堤内水流促进泥沙落淤等作用。例如，黄骅港整治工程⋯、长江口深水航道整治工程均采用了一定形式的潜堤。因此，掌握潜堤附近的水流与泥沙运动规律，对于实

3、现潜堤的建设目的具有重要作用。近年来，采用数学模型方法研究河流与海岸工程建筑物附近的流场和泥沙运动已经得到越来越广泛的应用。在三维数学模型中，潜堤可以作为固定坡度的水下地形b，潜堤在水面变化时淹没或露出水面的情况可通过干湿判断的动边界方法来处理。这种处理方法要求计算网格划分足够细，网格空间尺度应在几米的量级，以便把潜堤顶部及边坡的地形变化描述出来。但对于实际河口海岸问题，空间尺度动辄以几十乃至上百千米计，上述潜堤处理方法对于三维水流、泥沙模拟的空间精度要求太高，计算量较大，在实际应用中受到限制。另外一种处理潜堤的方法是

4、所谓的窄堤算法，这种算法忽略潜堤的宽度，将潜堤定义为网格的边界进行计算，通过合理估算潜堤两侧计算单元之间的水流交换过程来实现潜堤的功能。葛建忠等最近将这种窄堤算法运用到FVCOM模型中，建立了基于有限体积法的非结构化网格导堤一丁坝计算模型，该模型能够精确拟合不规则潜堤平面布置，并且能有效保证计算过程中潜堤两侧水体的质量守恒。但在文献[5—6]给出的流场验证算例中，基于窄堤算法的FVCOM模型只与出水堤附近流场进行了比较，尚未与潜堤附近的流场进行比较。因此，本文拟利用文献中已有的上挑淹没丁坝附近水流试验数据与FVCOM模

5、型计算结果进行比较，以进一步验证模型在描述潜堤周围水流运动方面的合理性。1模型介绍1．1FVCOM模型简介FVCOM模型由美国马萨诸塞大学和伍兹霍尔海洋研究所联合开发，水平方向采用非结构化三角形网格，垂直方向采用坐标变换，数值方法采用有限体积法，其三维原始控制方程为收稿日期：2013—10—28；修回日期：2013—11-20基金项目：国家高技术发展研究863计划(2012AA051709)；国家自然科学基金(51209111)作者简介：吴毓儒(1989一)，男，福建省泉州人，硕士研究生，主要从事海洋数值模拟研究。Bi

6、ography：WUYu一1"1(1989-)，male，masterstudent．2014年8月吴毓儒，等FVCOM模型在潜堤附近水流运动模拟中的应用327心，其他标量定义在网格节点上。定义在形心上的M和在动量控制体MCE中计算获得，定义在节点上的标量则在质量控制体TCE中计算获得。MCE与TCE在非结构化网格中的定义如图i所示，其中，图1-a代表一般单元的MCE与TCE，图1一b代表潜堤单元的MCE与TCE。在潜堤计算中，设为潜堤的绝对高度，经过潜堤两侧的TCE可以分成左右两个部分分别计算通量，即Qz鲁=一(加)

7、一)HfD)dy—f(To)l(8)1r警=一(动)一f。()I—lf(D)一f(To)dxI(9)式中：n和Q分别为左右2个控制体的面积；为单元中固壁边界的长度；即潜堤段的长度；f』和分别为左右2个控制体除了潜堤段外的边长；和，为通过左右两侧单元体通量计算得到的自由水位；，和为与潜堤墙面交界单元的水平速度在和Y方向上的分量，满足固壁边界不过流的边界条件。对求解淹没堤时，上述2个方程还应该加上以下限制条件Qz警m=一()一纵)I(10)根据质量守恒原理，潜堤节点的自由表面水位可表示为Qzf+Q，，r11、，一一—¨／对

8、于出水堤，固壁两侧的自由表面高程分别由和决定。若是一侧的水深高于堤顶，另一侧水深低于堤顶，则高于堤顶部分的水体将以越顶横流的形式流向堤身的另一侧。假设潜堤左侧水体高于堤顶，右侧水体低于堤顶，即O1日+z>h；D=日+>h则有=+，其中，=-h，为调整过程中的自由表面水位。若漫堤过后右侧总水深D，=H+sr，>h，则继续调整直至=。