李思靜　呂純月

【摘 要】20世紀以來，世界各地的濱海結構深受海嘯的影響。各研究學者通過模型試驗進行研究，隨著CFD的發(fā)展，數(shù)值模擬以其成本低、效率高等特點開始被學者廣泛用于研究海嘯作用力。文章利用大型商業(yè)計算軟件Fluent，基于Goring算法和動網(wǎng)格技術，實現(xiàn)了類實驗室方法的推板造波法。并與已有實驗數(shù)據(jù)相符。

【關鍵詞】海嘯; CFD; Goring算法; 孤立波

【中圖分類號】TV131.61【文獻標志碼】A

為了滿足沿海區(qū)域交通的快速發(fā)展，濱海、跨海橋梁的修建勢在必行。而20世紀以來，世界各地的濱海結構深受海嘯的影響，為了確保沿海結構的安全，對濱海結構進行海嘯力研究，有著具有重要意義和工程價值。

1 研究背景及意義

海嘯是眾多自然災害的一種，具有破壞力大、影響范圍廣的特點。通常是因為海底的地震、火山噴發(fā)以及氣象的變化所引起，當海嘯產(chǎn)生后，在深海中以較大的速度、較小的波高傳播，而抵近海岸時由于大陸架的坡度使得海水變淺、地勢增高，海嘯波的波長變短，而波高陡增至數(shù)米甚至數(shù)十米，形成一堵巨大的“水墻”撲向海岸，造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。從20世紀以來，全世界眾多沿海地區(qū)深受海嘯的影響。1960年5月23日智利發(fā)生8.9級地震，這次海嘯導致數(shù)萬人死亡和失蹤，沿岸的碼頭全部癱瘓，200萬人無家可歸。這是世界上影響范圍最大、也是最嚴重的一次海嘯災難[1]。2004年12月26日于印尼的蘇門答臘外海發(fā)生9級的海地地震，引發(fā)了印度洋海嘯，該海嘯襲擊了印尼、馬來西亞等東南亞國家，巨大的海浪造成經(jīng)濟損失巨大以及30余萬人喪生。2011年3月11日日本仙臺以東太平洋海域發(fā)生9.0級地震，地震引發(fā)大規(guī)模海嘯，造成重大人員傷亡，并引發(fā)日本福島第一核電站發(fā)生核泄漏事故。海嘯對沿海人類生活環(huán)境的破壞幾乎是毀滅性的。

2 國內外研究現(xiàn)狀

20世紀60年代，Cross最早在通過潰壩造海嘯涌波的試驗中研究了海嘯在干水槽中的傳播并對墻體的沖擊作用力，基于研究結果提出了一個計算作用于垂直墻體的海嘯涌波力的簡化計算公式[2];Ramsden[3]在水槽中造孤立波，孤立波沿緩坡傳播破碎后經(jīng)干河床作用于垂直墻體。研究發(fā)現(xiàn)，海嘯在墻上的最大爬升高度是速度水頭的2倍，最大作用力在最大爬高后出現(xiàn)，并驗證了Cross提出的計算式。21世紀后隨著全球范圍內海嘯對橋梁的破壞變得愈加嚴重，以及CFD技術的成熟，相關研究者開始更加關注這個話題。Motley等[4]利用數(shù)值模型比較了二維和三維橋梁上部結構數(shù)值模型所受到的波浪力。結果表明當忽略地勢變化和橋梁的傾斜時，二維模型所得到的結果和三維模型的結果相差不大。Xu和Cai[5]利用商業(yè)軟件Fluent研究了孤立波斜向入射時對橋梁的作用力和傾覆力矩。

但是目前我國橋梁規(guī)范中尚無海嘯對橋梁上部結構計算方法的相關條文，只能參考其他規(guī)范，現(xiàn)有的近海結構規(guī)范關于海嘯力的計算在濱海橋梁的適用性還需要進一步驗證，尚不能滿足實際工程需求。如今的海嘯數(shù)值模擬造波方法多樣、湍流模型復雜，沒有明確的計算方式。故本文通過數(shù)值模型，嘗試研究海嘯作用力的特征，對Bo Huang[6]的試驗條件建立數(shù)值模型。

3 數(shù)值模型的建立

本數(shù)值模擬采用目前國際上比較流行的商用CFD軟件ANSYS Fluent，它基于有限元體積法求解RANS方程，采用體積分數(shù)法（VOF）兩相流模型捕捉波浪中的自由液面。該軟件具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法和強大的前后處理功能，具有適用面廣、高效省事、穩(wěn)定性好精度高的特點，在計算流體學方面有著廣泛的應用。

本數(shù)值波浪水槽采用二階孤立波數(shù)值解，由Goring算法求解推波板位移，進而編譯出推波板位移文件，通過大型商業(yè)軟件Fluent中UDF（User Defined Function）控制邊界運動，結合動網(wǎng)格技術建立三維數(shù)值波浪水槽模型，實現(xiàn)類似實驗室方法的數(shù)值推板造波法。研究證明，在孤立波傳播過程中采用層流模型（laminar）能較好地保證孤立波的波形、且計算高效，故本文采用層流模型計算。

本文研究采用三維數(shù)值水槽，全長30 m、寬度2 m、高度1.8 m，分別將水槽的長、寬、高方向定義為X、Y、Z方向。由于采用二維模型計算模型時，孤立波會出現(xiàn)較大的沿程損失，故本文將采用三維網(wǎng)格進行建模。模型所有計算域均采用六面體結構化網(wǎng)格，根據(jù)前文的坐標方向定義與區(qū)域劃分，在Y方向上均勻劃分為6份網(wǎng)格;在Z方向上，從水槽上、下兩端從dz=1 m加密至水面處dz=0.01 m;在X方向上，傳播段均勻劃分為dx=0.15 m的網(wǎng)格，另外對造波板處進行加密至dx=0.05 m，模型位置加密至dx=0.01 m，核心區(qū)示意圖如圖1。網(wǎng)格共計12萬，質量0.97。

在水深0.6 m，波高0.12 m的數(shù)值造波工況下，監(jiān)測液面情況，與相對應工況的二階理論波波形進行對比如圖2（a）。兩者吻合情況非常好，幾乎完全重合。說明本數(shù)值方法能較準確的生成計算所需的孤立波。本文在計算過程中對5 m、10 m、15 m、18 m、19 m的波高進行監(jiān)測，如圖2（b）?？梢园l(fā)現(xiàn)該孤立波在傳播階段的沿程損失較小，說明該數(shù)值方法能較好的模擬孤立波的生成與傳播。

4 計算結果

圖3是孤立波沖擊橋面板時的液面情況，數(shù)值結果見圖4，豎向力有兩個峰值，豎向力第一峰值是作用于梁底，第二峰值為波浪作用于橋面板和梁底時。但數(shù)值模擬由于沖擊時間較短，捕捉不夠明顯。水平力由正峰值與負峰值組成，主要是由上、下游液面差造成。

對Bo Huang[6]的試驗數(shù)據(jù)進行對比。該試驗是在西南交通大學深水大跨實驗室進行，通過推波板造孤立波，研究孤立波對箱梁的海嘯力的影響。本文對Bo Huang[6]中水深為0.623 m，淹沒率為0，波高水深之比為0.268的工況進行對比，建立與該試驗完全相同的數(shù)值水槽、模型尺寸、試驗工況。得出數(shù)據(jù)對比如圖4所示，證明該數(shù)值方法能較好地模擬出海嘯作用力的特征，并且能夠得到較好的精度。綜上所述，本文所建立的數(shù)值水槽能夠較好的模擬出孤立波的破碎涌波以及其對橋梁上部結構的海嘯作用力。

參考文獻

[1]智利大地震太平洋沿岸多個國家和地區(qū)發(fā)布海嘯預警[J].生命與災害，2010（3）：41.

[2]Cross R H. Tsunami surge forces[J]. Journal of the waterways and harbors division， 1967， 93（4）： 201-234.

[3]Ramsden， J. D.， and F. Raichlen. 1990. Forces on vertical wall caused by incident bores， Journal of waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering， ASCE， Vol. 116， No. 5， 592-613.

[4]Motley M R， Lemoine G I， Livermore S N. Three-Dimensional Loading Effects of Tsunamis on Bridge Superstructures[C]. Structures Congress 2014. ASCE， 2014： 1348-1358.

[5]Xu G， Cai C S. Wave Forces on Biloxi Bay Bridge Decks with Inclinations under Solitary Waves[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities， 2014， 29（6）： 04014150.

[6]Huang B ， Yang Z ， Zhu B ， et al. Vulnerability assessment of coastal bridge superstructure with box girder under solitary wave forces through experimental study[J]. Ocean Engineering， 2019， 189（Oct.1）：106337.1-106337.14.

[7]GORING D， RAICHLEN F. The generation of long waves in the laboratory [M]. Coastal Engineering 1980. 1980： 763-83.

[8]GORING D G. Tsunamis--the propagation of long waves onto a shelf [J]. 1978.

[定稿日期]2021-02-03

[作者簡介]李思靜（1996～），男，在讀碩士，研究方向為橋梁水動力;呂純月（1996～），女，在讀碩士，研究方向為大氣科學。