高樁碼頭對河道流場影響的數(shù)值模擬

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1、第32卷第2期河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vo1．32No．22004年3月Joun~ofHohaiUniversity(NaturalSciences)Mar．20o4高樁碼頭對河道流場影響的數(shù)值模擬李光熾，周晶晏2，張貴壽(1．河海大學(xué)水資源環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210098；2、河海大學(xué)交通與海洋工程學(xué)院，江蘇南京210098：3、紹興文理學(xué)院土木工程系，浙江紹興312000)摘要：在討論高樁碼頭對河道流場影響數(shù)值模擬方法的基礎(chǔ)上，為確保流場模擬精度，采用正交邊界擬合坐標變換法模擬彎曲變化的河道計算域，應(yīng)用二維全隱式耦合聯(lián)解模型離散控制方程、矩陣追趕法求解代數(shù)方程

2、．同時引進過水率和修正糙率的概念并提出了間接等效模擬高樁碼頭對流場影響的方法．算例表明，該方法是行之有效的．關(guān)鍵詞：二維水流模擬；矩陣追趕法；高樁碼頭中圖分類號：TV131．4文獻標識碼：A文章編號：1000—1980(2004)02—0216—05探討碼頭建設(shè)對河道流場的影響，對工程規(guī)劃設(shè)計和運行管理來說，是十分必要的．不同形式的碼頭對河道流場的影響是不同的，本文結(jié)合工程實際研究高樁碼頭對河道流場的影響．高樁碼頭對河道流場影響的模擬可采用物理模擬方法或數(shù)值模擬方法．對于大尺度的流場模擬，從經(jīng)濟和技術(shù)角度考慮，數(shù)值模擬具有較大的實用價值．。高樁碼頭對河道流場影響的

3、數(shù)值模擬，包括河道流場模擬和碼頭工程對河道流場作用的模擬．對河道流場模擬，考慮河道計算區(qū)域尺度和工程建筑物尺度相差懸殊，通航河道的平面邊界彎曲復(fù)雜，為保證計算精度，采用正交邊界擬合坐標下的全隱式差分耦合聯(lián)解模型．對碼頭工程影響的模擬可采用直接模擬法或間接模擬法，綜合考慮精度要求和模擬成本，本文采用間接等效模擬方法．1基本方程及邊界條件描述平面二維水流運動的基本方程組為刁Z刁uh3vh一3t++g3uOu3uOZ++u“++7y++g++g——u“一一：(I舞)+(I3u)J(1)3v3v++u“++霧+g一3Zx+g——+／“：Ux(Ex3v一。)+(I巴))J式

4、中：t，，y——自變量時間及平面坐標；JIl——水深，h=Z—ZD，Z為水位，z￡)為河床高程；u，——和Y方向的流速；n——河床糙率；產(chǎn)__柯氏系數(shù)；Ex，E——和Y方向上的離散系數(shù)；q——源項．．對于固壁邊界，采用不穿透條件V·，l=0(，l為固體邊界的法向矢量)(2)對于自由邊界(一般為上、下邊界)，采用如下邊界條件：f上邊界：ZE為已知，假定水位無橫比降【下邊界：z下為已知，假定水位無橫比降對于河道型計算區(qū)域，由于其邊界復(fù)雜，且長、寬尺度相差懸殊，因而在直角坐標系下對上述定解問題進行求解存在著復(fù)雜邊界不易擬合、網(wǎng)格多等困難．為此，采用正交邊界擬合坐標變換：

5、收稿日期：2003—09—02作者簡介：李光熾(1957一)，男．福建德化人，副教授，博十，主要從事計算水力學(xué)研究第32卷第2期李光熾，等高樁碼頭對河道流場影響的數(shù)值模擬2l7+霧=P(g,r／,x,y)a2g]+c-)y2=Q((4)通過方程式(4)的變換，可把xoy坐標平面上復(fù)雜的計算域轉(zhuǎn)換成叩平面上的矩形域，平面上的曲線網(wǎng)格變成~-o,1平面上間距為1的正方形網(wǎng)格．P，Q為待定因子，適當(dāng)選擇P，Q可使網(wǎng)格疏密根據(jù)需要分布，或使曲線網(wǎng)格正交．采用新坐標系統(tǒng)的自變量t，，77后，基本方程式(1)變成[]萬OZ+{丟(gvu~h+(^)=。aa*rg刁g翌gn、／

6、+￡gaZ一3t++百+丁一了+—～廠一+吳(一((5)一3t++++++丁舞一等了+——％廠_生_++焉a77=1~(EcA)+吳()A={丟(“g)+())B=jfta~r"g)一(“歇))式中：“，——沿和77方向的流速；g，g——曲線網(wǎng)格的長度和寬度，g=、／廠，g：~／孺；．，——曲線網(wǎng)格的面積，．，=g髫；“，與“，之間的變換關(guān)系為“=(“ax+Oy)=(“莠+3y)通過正交變換，把原來在坐標系統(tǒng)中利用方程(1)求解變量Z，“，變?yōu)樵?7坐標系統(tǒng)中利用(5)求角蓽Z川?．2全隱式耦合聯(lián)解模型2．1節(jié)點布置采用控制體積法離散方程，為了更好地模擬邊界條件，

7、變量交錯布置，即在網(wǎng)格中心布置水位變量，在網(wǎng)格四邊布置相應(yīng)的流速變量．對于具有(2N+1)(2M+1)的計算網(wǎng)格，上、下邊界布置水位，水位z有(Ⅳ+1)M個節(jié)點，流速“有NM個節(jié)點，流速有(Ⅳ+1)(+1)個節(jié)點．考慮到兩岸固壁邊界條件(2)，通過正交變換，兩岸流速=0，待求的流速有(Ⅳ+1)(M一1)個節(jié)點．2．2方程離散對河道流場的模擬，由于流態(tài)變化劇烈，網(wǎng)格長寬尺寸相差懸殊，在河寬方向上的網(wǎng)格寬度一般均較小，為了確保較高的精度要求，采用全隱式離散、矩陣追趕法求解．差分離散方法如下：時間項采用向前差分，擴散項采用中心差分，對流項采用逆風(fēng)格式，非線性項采用局部線

8、性化方法．