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      新型流體數值仿真平臺

      日期:2020-01-09 / 人氣: / 來源:未知

             在汽車外形設計、橋梁、碼頭和港口等工程建設前,使用數學模型進行論證分析已成為國際國內通用方法。該平臺是具有自主知識產權的專門用于汽車工業、海洋工程和海岸工程的流體仿真平臺,能夠輔助設計人員高效精確地進行數值仿真,多方案進行比較,優化設計,縮短設計周期,減少實驗費用。
             該平臺包括四個子系統,即數值實驗水槽子系統、數值波浪水池子系統、生態水動力學模擬子系統和新型數字風洞子系統。

        (一)數值實驗水槽子系統

             數值實驗水槽采用二維時變雷諾方程作為流體運動的控制方程建立數值試驗水槽的數學模型,模型中采用湍流模型來封閉雷諾方程,為模擬波浪運動對水面附近物體的影響,模型中采用流體體積函數(VOF)方法跟蹤自由表面的運動。采用有限體積法對模型進行離散求解,實現數值實驗水槽。
             “數值實驗水槽”可用于研究不同形式防波堤與波浪的相互作用過程,以及投放體、受力拋體、浮體等類型的海洋監測儀器的水動力學特性,為海洋監測儀器的設計和制造,以及海洋監測儀器模型實驗和現場試驗方案的優化提供必要的數據和參考。在一定程度上代替、配合造價昂貴的實驗室水槽。


      圖1 數值試驗水槽界面

        (二)數值波浪水池子系統

             數值波浪水池系統是建立在修正后的Boussinesq方程的基礎上,該模型能將高精度緊致差分格式應用到Boussinesq方程中,改善了模型對非線性淺化問題的模擬能力。系統采用控制方程加“源項”的方法造波,用“海綿層”來處理開邊界。將“窄縫法”應用到水動力學模型中,以模擬計算中的動邊界。數值波浪水池系統能夠模擬波浪在復雜地形下的折射、繞射、淺化以及反射等復雜的非線性變形過程。為工程設計提供波浪要素。
             數值波浪水池軟件系統具有以下功能:可靈活地產生正向、斜向規則波和隨機波列;可根據需要輸出所關心位置(測量點)的水面和斷面平均流量變化過程數據;可根據需要輸出所關心位置(測量點)的波高比值(相對波高)數據;可輸出所關心區域內的波高比值數據;可輸出給定時刻某一區域內自由面(波面)的位移及斷面平均流量數據;具有動態顯示功能,可根據計算結果顯示波浪在復雜地形和結構物作用下的傳播、演化過程。


      圖2 數值波浪水池系統界面

        (三)生態水動力學模擬子系統

             系統可對水位開邊界和流量開邊界的地形進行模擬;可根據需要輸出所關心位置(測量點)的水面變化過程數據;可在計算域內添加污染物點源;使用給定的流速場,而不必進行流場的計算;可根據需要在某一固定點排放質點,并對質點的運動進行跟蹤計算和圖形繪制,輸出不同時刻的質點分布圖形文件。能夠模擬海浪傳向海岸過程中,由于波浪破碎產生的近岸波生流系。包括考慮氮、磷轉化和水動力學條件的生態水動力學模型,其中將海灣的生態系分為浮游植物、浮游動物、營養鹽、懸浮碎屑四個功能群。


      圖3 生態水動力學模擬系統

        (四)新型數字風洞子系統

             新型數字風洞用第二代新型格子Boltzmann模型來快速有效地精確模擬流體在風洞中的流動過程,從而達到控制流動現象、改善設計和優化相關產品。
             新型數字風洞主要針對建筑大樓在各主要設計風速和風向下,以連續介質為基本假設,基于傳統的時均雷諾方程和湍流模型為控制方程,采用高精度的數值差分方法,以最基本、能準確地描述流體粒子運動規律的統計物理學為基礎的微觀力學的方法,即基于Boltzmann方法的基本原理,再加上湍流模型為基礎建立起來的新型數值風洞系統。能計算建筑物周圍的流動分布,并計算大樓受到的風載;根據計算結果,分析局部載荷集中位置,為工程的設計和施工提供技術支持和保障。


      圖4 數字風洞系統

        典型案例:

      (一)用數值實驗水槽為金塘大橋橋墩基礎進行波浪力復核

        金塘大橋由東向西連接金塘島與寧波市,是舟山大陸連島工程的第五座特大跨海橋,起于金塘島上雄鵝嘴,接在建的西堠門大橋,經化成寺水庫、茅嶺、瀝港水道和灰鱉洋海域,與規劃中的寧波沿海北線高速公路相交,終點為寧波市繞城高速公路??偼顿Y約77億元。金塘大橋項目由金塘大橋(主通航孔橋、東通航孔橋、西通航孔橋、非通航孔橋以及金塘側引橋、淺水區引橋、鎮海側引橋)和金塘島連接線組成,全長26.54 km,是舟山連島工程項目重要的組成部分,其中跨海大橋長18.415 km,兩側接線長約8.5公里。從規模和長度上看,金塘大橋將是繼東海大橋、杭州灣第一座跨海大橋后的國內又一座特大型跨海大橋。

             

      圖5 金塘大橋外觀圖圖                                                            6 典型的橋墩基礎

      用數值實驗水槽進行了金塘大橋主要16個橋墩的橋墩基礎波浪力進行了復核,其中橋墩基礎的承臺波浪力的計算用“數值實驗水槽”進行的,承臺支撐的圓柱群的波浪力用經驗公式計算的。
      圖7至圖10為第二合同段,西南通航孔橋連續梁主墩承臺與波浪作用典型時刻的波面圖和截面流速分布。


      圖7 金塘大橋某橋墩基礎附近的波面圖
            
      圖8 X-Z截面(橫橋向)上的流速場          圖9  Y-Z截面(順橋向)上的流速場          圖10 X-Y截面(水平截面z=17米)上的流速場

      (二)用數值波浪水池為黃驊港整治工程結構物提供設計波浪要素

             黃驊港位于河北省滄州市以東90公里渤海之濱,是國家“西煤東運”第二條大通道的主要出???,在“北煤南運”煤炭運輸系統中起著舉足輕重的作用。也是集礦路港電一體化開發、產運銷一條龍經營的神華系統工程的重要組成部分。
             在二期整治工程中,甲方共提出兩個平面布置方案,方案一和方案二。其中方案一在航道開始處設置了寬度為兩公里、長度為4公里的消能緩沖區,方案二則不帶消能緩沖區,兩堤間距為一公里。分別見圖11和圖12。
             運用本項目的數值波浪水池為黃驊港整治工程的防波堤提供了設計波高,并分析了由于航道的折射對波能的積聚狀況。圖13和圖14分別為計算得到的波浪場。目前黃驊港二期整治工程整體已經通過驗收,并安全運行至今。

           
      圖11地形等直線圖和平面布置方案一                               圖12地形等直線圖和平面布置方案二
           
      圖13 對應平面布置方案一的某情況下波浪場                         圖14 對應平面布置方案二的某情況下波浪場

      (三)用生態水動力學模擬子系統為渤海灣海岸帶開發對近岸海域水動力環境的影響預測

             隨著濱海新區的發展,天津市對天津近岸海域進行了規劃,依照規劃實施時間,按照天津港現狀、臨港工業區一期、臨港工業區二期、天津港南疆港區、天津港人工港島、泰達圍海造地的順序依次作為模擬背景。模擬在開發活動影響下的潮流場情況,潮流場如圖15至圖19所示:
             圖15a和圖15b分別為現狀地形下漲急落急時刻的潮流場,潮流場具有漲急落緩的特征,由于地形的影響在北塘排污口和大沽排污口附近漲潮時流速指向排污口,落潮時背離排污口。
             圖16和圖17為天津港臨港工業區一、二期,南疆二期相繼建成后的潮流場??梢钥吹脚R港工業區占據了大沽排污口附近原來較強的潮流場,并與天津港南疆形成了大沽沙航道,航道內流速較小,不利于航道內污染物的輸移擴散。
             圖18和圖19為天津港人工港島、泰達圍海造地相繼建成后的潮流場??梢钥吹教旖蚋廴斯じ蹗u、泰達圍海造地形成了較窄的水道,水道內流速也較小。
             由圖15至圖19各圖可知,從整體上來看,海岸帶開發活動將對渤海灣潮流場產生影響,離岸越近影響越大,離岸越遠影響越小。


      (a) 漲急                                                           (b) 落急
      圖15 天津港現狀地形情況下潮流場

      (a) 漲急                                                    (b) 落急
      圖16  天津港臨港工業區一期期完成后潮流場

      (a) 漲急                                            (b) 落急
      圖17  天津港南疆二期、臨港工業區二期完成后潮流場

      (a) 漲急                                                       (b) 落急
      圖18  天津港人工港島、南疆二期、臨港工業區二期完成后潮流場

      (a) 漲急                                                (b) 落急
      圖19  天津港人工港島、南疆二期、臨港工業區二期、泰達圍海造地完成后潮流場

      (四) 用生態水動力學模擬子系統為海岸帶開發對污染物輸移擴散的影響及水質預測

             大沽排污口是指天津南排污河的排污口,它位于天津港南側。對于大沽排污口,其附近的開發活動主要有臨港工業區建設、天津港人工島、南疆港區建設,結合這幾項開發活動,對大沽排污口排污進行了模擬。選取COD為模擬對象,排放量為3.6kg每小時,統計每個潮周期各區域最大值,模擬結果如圖20所示。
             在臨港工業區建設前,受天津港南疆建設的影響,大沽排污口排出的污染物向其南側有明顯輸移,如圖20a;臨港工業區一期建成后,其向南側輸移減弱,如圖20b;臨港工業區二期建成后,使大沽排污口排出的污水對其南側影響進一步降低,影響基本不明顯,但是,對其北側影響加劇,使得污水倒灌入天津港,此外臨港工業區二期與天津港南疆港區之間的海河治導線內污水濃度很大,水質惡化,嚴重影響了天津港和臨港工業區環境質量,如圖20c所示。因此,需要對大沽排污口附近污水排海方案進行研究。


      圖20a  天津港現狀大沽排污口排污濃度場等值線圖

      圖20b  天津港現狀、臨港工業區一期完成大沽排污口排污濃度場等值線圖

      圖20c  天津港人工港島、南疆二期、臨港工業區二期完成 大沽排污口排污濃度等值線圖

      (五)上海洋山深水港潮流、泥沙數值模擬

          伴隨著經濟全球化,世界航運市場正在迅速走向一體化、網絡化,世界范圍內的市場競爭日趨激烈。競爭的焦點也越來越明顯,就是在全球市場上爭奪航運中心地位,搶占航運制高點。在我國這樣一個市場巨大、腹地遼闊的國家,特別是長江三角洲地區,如果沒有一個國際航運中心,在國際分工與競爭中就會處于被動地位。為此改變這種狀況,洋山深水港區工程從2002年6月開工,目前,一、二期工程已經完工,但西港區如何建設,中交三航院共提出了兩個方案,其中一個為大通道方案,一個為汊道方案。其現狀、大通道方案和汊道方案如圖21所示,用本項目的生態水動力學軟件系統的水動力學子模型模擬了三個方案的流動狀態,如圖22所示,根據模擬結果,給總設計單位提出了合理的建議。

             
      (a)現狀                                      (b)大通道方案                                 (c)汊道方案
      圖21 三種平面布置方案
                    
      圖22   三套方案大潮漲急時刻流場比較
      (藍:現狀;紅:大通道;綠:汊道)

      作者:tjpd


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