Flow3D在直立式碼頭平均越浪量計(jì)算中的應(yīng)用研究

姜雪亮

（山東港通工程管理咨詢(xún)有限公司，山東 煙臺(tái) 264001）

在沿海港口水工建筑物設(shè)計(jì)時(shí)，越浪量是一個(gè)應(yīng)當(dāng)考慮的重要內(nèi)容。我國(guó)現(xiàn)有規(guī)范對(duì)于斜坡堤堤頂越浪量已有統(tǒng)一的公式進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)于直立式構(gòu)筑物目前還沒(méi)有能夠達(dá)成一致的公式或者算法，各個(gè)國(guó)家也都有自己的一些經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，像歐洲越浪手冊(cè)法（EurOtop）[1]、美國(guó)海岸工程手冊(cè)法（CEM）[2]、合田良實(shí)法[3]、大連理工大學(xué)法[4]和Franco法等[5]。

本文利用Flow3D軟件，模擬南黃島直立式突堤碼頭在不同堤頂高程下的越浪量，并與美國(guó)海岸工程手冊(cè)法（CEM）、大連理工大學(xué)法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從中找尋計(jì)算直立堤越浪量比較好的方法，為后續(xù)的工程設(shè)計(jì)提供一定的借鑒意義。

1 軟件介紹

Flow3D是一款高精確度的計(jì)算流體動(dòng)力軟件，利用其獨(dú)有的TruVOF技術(shù)，能夠準(zhǔn)確地追蹤自由液面變化情況（如水波、水躍等）。利用多區(qū)塊網(wǎng)格功能，F(xiàn)low3D能夠有效地建立網(wǎng)格，即使外形非常復(fù)雜的大型模型，也能夠配合不同的精度設(shè)定，以適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格數(shù)量描述復(fù)雜的外形特征。Flow3D波浪產(chǎn)生器模型是以傅里葉級(jí)數(shù)為基礎(chǔ)延伸發(fā)展到所有周期非線性波。Flow3D在海岸工程中的應(yīng)用包括沿海波、碎波、波堤繞射、防波堤、海潮等。

2 經(jīng)驗(yàn)算法介紹

（1）CEM法[2]

美國(guó)海岸工程手冊(cè)中對(duì)于直立堤平均越浪量，給出計(jì)算公式如下：

式中：q—平均越浪量（m3/s）；

g—重力加速度，取9.81m/s2；

Hs—有效波高（m）；

d—水深（m）；

Rc—堤頂相對(duì)于靜水面高度（m）；

γs—為考慮結(jié)構(gòu)配置和形狀的修正因子，對(duì)于直墻平面，取1.0；

該手冊(cè)中規(guī)定波向角β取值范圍為0°～ 60°，當(dāng)考慮波向角對(duì)平均越浪量q的影響時(shí)，折減因子γβ的取值如下：

斜向波：

短峰波：

（2）大連理工大學(xué)法[5]

2007年，俞聿修等試驗(yàn)研究了多向不規(guī)則波對(duì)直立堤的越浪量，得到如下斜向和多向不規(guī)則波作用下直立堤的平均越浪量計(jì)算公式：

式中：

q—平均越浪量（m3/s）；

g—重力加速度，取9.81m/s2；

Hs—有效波高（m）；

d—水深（m）；

Rc—堤頂相對(duì)于靜水面高度（m）；

其 中，Rc/Hs=0.47～1.31，d/Hs=3.7～5.1，β取值范圍為0°～ 45°?？紤]波浪方向的越浪量折減因子γβ的取值見(jiàn)下表。

β/（°） γβ斜向波（長(zhǎng)峰波） 多向波（短峰波）0 1.00 0.78 10 0.91 0.77 20 0.81 0.76 30 0.72 0.70 45 0.67 0.65

3 算例

（1）計(jì)算條件

南黃島碼頭采用重力式方塊結(jié)構(gòu)，極端高水位為4.97m，碼頭設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-5.5m，H1%波高為3.68m，平均周期T為7.01s，分別計(jì)算碼頭頂高程為5.5m、5.8m時(shí)單寬平均越浪量。

（2）計(jì)算

1）CEM法

根據(jù)計(jì)算條件，求得頂高程為5.5m和5.8m時(shí)公式中各參數(shù)取值如下表所示。

參數(shù) 頂高程5.5m 頂高程5.8m Hs 3.68 3.68 d 10.47 10.47 Rc 0.53 0.83 γβ 1 1 γs 1 1

將上述參數(shù)帶入公式中求得頂高程為5.5m時(shí)，碼頭頂部單寬平均越浪量為1.177m3/s，頂高程為5.8m時(shí)，碼頭頂部單寬平均越浪量為0.922m3/s。

2）大連理工大學(xué)法

根據(jù)計(jì)算條件，求得頂高程為5.5m和5.8m時(shí)公式中各參數(shù)取值如下表所示。

參數(shù) 頂高程5.5m 頂高程5.8m Hs 3.68 3.68 d 10.47 10.47 Rc 0.53 0.83 γβ 1 1

將上述參數(shù)帶入公式中求得頂高程為5.5m時(shí)，碼頭頂部單寬平均越浪量為0.852m3/s，頂高程為5.8m時(shí)，碼頭頂部單寬平均越浪量為0.727m3/s。

3）Flow3D數(shù)值模擬

a.碼頭頂高程為5.5m

①建立模型

圖1 模型參數(shù)

圖2 網(wǎng)格劃分

在軟件中根據(jù)碼頭尺寸建立單寬分析模型，并劃分計(jì)算網(wǎng)格。

②設(shè)置參數(shù)

分別對(duì)軟件中的模擬時(shí)長(zhǎng)、物理參數(shù)、流體參數(shù)、邊界參數(shù)、水位參數(shù)、擋板參數(shù)、輸出時(shí)間間隔及輸出內(nèi)容以及時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)置。

圖3 物理參數(shù)設(shè)置

圖4 流體參數(shù)設(shè)置

圖5 邊界參數(shù)設(shè)置

圖5 擋板參數(shù)

圖6 輸出時(shí)間間隔及輸出內(nèi)容設(shè)置

圖7 時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置

③計(jì)算

Flow3D軟件會(huì)根據(jù)網(wǎng)格劃分的大小自動(dòng)分析計(jì)算時(shí)間及產(chǎn)生文件的大小，便于設(shè)計(jì)人員對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，分析完成后，就可以進(jìn)行模擬計(jì)算，完成后的穩(wěn)定限制（紅線）曲線和時(shí)間步長(zhǎng)（藍(lán)線）曲線如下圖所示。

圖8 穩(wěn)定極限和步長(zhǎng)曲線

④計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

圖9 越浪量變化曲線

圖10 某一時(shí)刻波浪形態(tài)圖

為得到生成的越浪曲線的積分，需要將曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.dat文件，然后導(dǎo)入到Origin9.0軟件（數(shù)據(jù)分析軟件）中進(jìn)行積分計(jì)算。

圖11 越浪曲線積分

從上圖中可以得到一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的積分面積。經(jīng)計(jì)算，即可得到單寬越浪量為1.841m3/s。

b.碼頭頂高程為5.8m

修改模型，重復(fù)上述操作過(guò)程，即可得到頂高程為5.8m時(shí)單寬越浪量為1.6291.841m3/s。

（3）計(jì)算結(jié)果比較

各種計(jì)算方式結(jié)果見(jiàn)下表

序號(hào) 計(jì)算方法 頂高程5.5m 頂高程5.8m 降低百分比1 CEM法 1.177 0.922 21.70%2 大連理工大學(xué)法 0.852 0.727 14.67%3 Flow3d模擬1.841 1.629 11.51%

圖12 直立堤單寬平均越浪量

通過(guò)數(shù)據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn)，采用不同的計(jì)算方法得到的越浪量的數(shù)量級(jí)是一致的，采用大連理工大學(xué)法計(jì)算得到的結(jié)果最低，其次是CEM法，F(xiàn)low3D模擬所得到的結(jié)果最大。隨著碼頭頂高程的升高，越浪量降低趨勢(shì)相近。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法計(jì)算越浪量，并與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析，意在提供另外一種解決思路。Flow3D軟件模擬得到的結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式得到的結(jié)果數(shù)量級(jí)保持一致，因此在工程設(shè)計(jì)時(shí)可以采用該方法對(duì)越浪量進(jìn)行驗(yàn)算。通過(guò)數(shù)值模擬的方法計(jì)算越浪量可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到比較理想的結(jié)果，并可對(duì)多種結(jié)果進(jìn)行直觀比較，這對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期確定設(shè)計(jì)方案有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

鑒于直立堤越浪量沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)算法得到的結(jié)果僅供工程參考，無(wú)法判斷孰優(yōu)孰劣，待后期有條件，可進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，通過(guò)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)比較在不同區(qū)域采用哪種計(jì)算方式更為適合。現(xiàn)階段通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算所得數(shù)據(jù)僅供設(shè)計(jì)參考。