内河挖入式港池回流流速分布规律的数值模拟

戴 勇，王定略

（1.江苏省交通规划设计院股份有限公司，南京210005；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

内河挖入式港池回流流速分布规律的数值模拟

戴 勇1，王定略2

（1.江苏省交通规划设计院股份有限公司，南京210005；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

采用k-ε双方程湍流数学模型，建立了三维内河挖入式港池数学模型，分析了不同主流流速及不同港池轴线与主流流向的夹角对内河挖入式港池内的水流运动特性的影响，获得了港池内回流流速的分布规律。研究结果表明，垂向流速值随着主流流速的增大也相应增大；回流横轴断面上各测线平均流速从回流中心向两侧逐渐增大。数值计算结果与模型试验的对比分析表明，数值模拟能够较好的模拟内河挖入式港池内的回流运动特性。

挖入式港池；数值模拟；回流；流速分布规律

挖入式港池具有充分利用岸线，不碍航和不减小河道行洪断面，港池掩护条件好等优点，是内河中应用较广泛的码头平面布置型式。但是，内河挖入式港池由于河宽突然扩大，流速减小，在港池内产生回流运动，从而导致水流中携带的大量泥沙在港池内落淤，长期以来内河（特别是多沙河段）挖入式港池的水流泥沙特性是工程界十分关注的问题［1-2］，因此研究挖入式港池的水流运动特性对于认识挖入式港池的淤积特性，优化港池的设计布置，从而达到防淤、减淤具有重要的现实意义。目前，内河挖入式港池内的水流运动特性研究还主要依靠模型试验的方法，随着计算机技术的日趋成熟和计算机性能的不断提高，数值模拟花费少、速度快、信息完整等优点逐步显示出来，并逐渐被工程界所接受，成为物理模型试验的重要补充手段。

对于内河挖入式港池的水流特性数值研究，国内外学者已经做了不少。如王家会等［3］在三维水流数学模型中对自由水平面位置、垂线平均流速的确定及各方程迭代求解时的不同修正等方程进行探讨。周旦［4］应用数学模型对回流区的表面流速、回流范围进行计算。

本文综合考虑各方面的因素，结合物理模型试验［5-8］，同步对内河挖入式港池进行了三维流场的数值模拟研究，以全面了解内河挖入式港池的回流流速的分布规律，为挖入式港池的防淤、减淤提供依据。

1 物理模型试验

长沙理工大学水利工程学院在宽1.5 m、长30 m的矩形水槽内对挖入式港池内的回流流速规律进行了试验研究。港池布置在水槽的中部，试验流量由上游的三角薄壁堰测定，表面流场采用基于粒子图像测速技术的流场实时测量系统（VDMS）量测。试验布置见图1。

2 数学模型

2.1 网格的生成

在挖入式港池计算区域网格的生成过程中，网格的布置充分考虑水力要素的变化：水力要素变化大的区域网格密集，变化平缓的区域网格疏松（图2，图3）。从图2和图3中可以看出，在自由面附近，网格在垂向上的密度比其他部分大很多，这是因为水质点的运动速度只有在自由表面附近是显著的，随着水深的加大，水质点的运动速度呈指数衰减，加密网格是为了很好地捕捉自由面附近水流的变化情况，而在其他部分将网格合理的稀疏是为了减少不必要的计算负担。

图1 挖入式港池试验布置示意图Fig.1 Experimental arrangement of dredged harbor basins

图2 立面网格分布图Fig.2 Vertical distribution of grid

图3 平面网格分布图Fig.3 Plane distribution of grid

2.2 控制方程

本文采用通用性能好且工程中普遍应用的k-ε两方程模型模化湍流，控制方程如下

式中：t为时间；ρ和μ分别为密度和分子粘性系数；μi和xi分别为速度分量和坐标分量；P为修正的压力；湍动粘度μt可以表示成k和ε的函数，即

2.3 离散方案及边界条件

在计算域中采用有限体积法进行控制方程的离散。速度压力耦合采用SIMPLEC算法。进口采用速度边界条件，由流量以断面平均流速给出；出口采用给定恒定水位；自由表面的追踪则采用体积率法（VOF），VOF是用体积率函数来表示各相所占的体积，简单易行，对于具有明显分界面的两相流动，有很好的模拟效果。近年来在水利工程中应用颇多。

3 计算结果分析

本文建立与物理模型试验同样尺寸的数值模型，通过改变主流流速V、港池轴线与主流流向的夹角θ计算了4种工况，最后所得回流横轴流速横向分布与实测值的比较如图4。计算值与试验值吻合较好。能够准确模拟出垂线流速沿横向分布规律，垂向流速值从中间向两侧逐渐增大，边壁处比中心的流速变化幅度大；垂向流速值随着主流流速的增大也相应增大。只是在主流流速小的时候，计算值与试验值稍有差别，这主要是因为模型网格以及流体的物理特性的影响。

图4 垂线平均流速计算值与试验值对比图Fig.4 Comparison between numerical results and model test data of average vertical velocity

4 结论与展望

（1）采用VOF法和标准κ-ε湍流模型相结合的方法对内河挖入式港池回流流速分布规律的模拟是比较成功的。计算所得回流横轴流速的横向分布与物理模型试验数据吻合较好。

（2）回流横轴断面上各测线平均流速从回流中心向两侧逐渐增大。

（3）鉴于数值模型具有省时、省力、节省费用以及修改方便的优点，在今后的研究中可以开展挖入式港池内水流运动特性对泥沙淤积的影响。

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［2］韩时琳，沈小雄，慈庆玲.内河挖入式港池减淤措施的试验研究［J］.水运工程，2005（12）：14-18. HAN S L，SHEN X X，CI Q L.Inland excavated-in basin deposition reduction test［J］.Water transportation engineering，2005（12）: 14-18.

［3］王家会，李岩，袁月平，等.挖入式港池水流特性数值模拟［J］.人民黄河，2009（6）：36-37. WANG J H，LI Y，YUAN Y P，et al.Excavated-in basin flow characteristics numerical simulation［J］.The Yellow River，2009（6）：36-37.

［4］周旦.内河挖入式港池水流运动特性研究［D］.长沙:长沙理工大学，2008.

［5］周旦，沈小雄，李建习.内河挖入式港池回流流速分布规律初探［J］.水道港口，2007，28（6）：415-417. ZHOU D，SHEN X X，LI J X.Inland excavated-in basin flow velocity distribution［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007，28（6）:415-417.

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［8］Prandtl L.流体力学概论［M］.北京:科学出版社，1984.

Numerical simulation of counterflow velocity distribution rule in dredged harbor basin

DAI Yong1，WANG Ding-lue2
（1.Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.，Ltd.，Nanjing 210005，China；2.College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Using κ-ε two equation model，the 3-D numerical model of dredged harbor basins was established to analyze the characteristics of flow field at the dredged harbor basins under different vertical velocities and different angles between basin axis and mainstream flow.The counterflow velocity distribution was obtained.The results show that the vertical velocity increases with a corresponding mainstream velocity，and average velocity increases gradually from the center to both sides of the basin cross-section.Comparison between the numerical results and model test data shows a satisfactory agreement.

dredged harbor basin；numerical simulation；counterflow；velocity distribution rule

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2012）04-0299-04

敬告读者：本刊开通在线投稿系统

2011-10-26；

2011-12-12

戴勇（1979-），男，江苏省盐城人，工程师，主要从事港口及航道工程设计工作。Biography：DAI Yong（1979-），male，engineer.

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