固定边界水流流场数值模拟应用技术研究背景及应用前景综述

谢龙，周海霞，陈李，吴卓尔，姚科

（1.江苏交通科学研究院股份有限公司，江苏南京210000；2.中交二公局萌兴工程有限公司，湖北宜昌443000）

固定边界水流流场数值模拟应用技术研究背景及应用前景综述

谢龙1，周海霞2，陈李1，吴卓尔1，姚科1

（1.江苏交通科学研究院股份有限公司，江苏南京210000；2.中交二公局萌兴工程有限公司，湖北宜昌443000）

物理对象数值模拟以其限制条件小、建模周期短、建模成本低、计算精度高等优点广泛适用于目前各高校的科研领域，在未来也必将成为科研发展的主流趋势。在此背景条件下，以固壁边界水流流场作为分析研究对象，详细介绍了数值模拟技术的应用技术背景及应用前景，结论可为该技术的研究发展提供一定的参考。

固定边界；数值模拟技术；应用前景；水流流场

1 研究背景

中国是一个多河流的国家，内河航道通航里程位居世界第一[1]。内河航运是国家战略性基础产业，具有占地少、成本低、能耗小、污染轻、运能大、效益高六大优势，是综合运输体系中发展的重点，是典型的资源节约型、环境友好型的产业体系。

我国区域开放开发的战略布局已进入到“沿海、沿江”并重的时期。今后20～30年是依托内河水运资源实现沿江地区、内陆地区和沿海地区同时发展的时代，内陆地区扩大开放成为国家战略，我国进入了内河水运大规模开发的新时期[2]。

我国内河航运潜力巨大，但开发利用不足。其中，内河航道里程12.3万km，仅占河流总长的29%；内河千吨级以上航道的里程占总航道里程的7%，而美国达到61%，德国更达到70%。

国务院2011年2号文件指出：加快长江等内河水运发展有利于构建现代综合运输体系，有利于调整优化沿江沿河地区产业布局，有利于促进区域经济协调发展，有利于促进节能减排。对优化交通运输结构，降低社会综合物流成本，增强国防交通功能，构建现代综合运输体系的重大战略部署等均具有重大意义。

目前，在航运信息化的发展趋势背景下，众多高校以及科研设计院高度重视数值模拟技术的发展。采用数值模拟技术，不仅可以节约物理模型建设、原型观测费用，节约大量人力物力财力，还可以通过精确的参数率定提高模型精度，是未来河流研究和技术探讨的主流趋势[3]。

2 研究目的与意义

2.1 量化水流结构与流向，是为河流研究分析提供理论依据的需要

平面水流二维数值模拟可以模拟研究河段的水流结构和水流方向，为研究河段的水流规律与流场分布结构提供理论依据。如，在河流的航道整治方案讨论中，最重要的就是整治河段水流结构的分布及水流方向的确定。在此基础上才能因势利导，合理确认适宜的工程措施。然而，在天然河流中，水流结构紊乱，难以对其结构和水流流向进行细致观察、描述，传统的研究方法也难以进行合理的展示。而数值模拟技术可以良好地量化水流结构与水流方向，为河流的研究分析提供理论依据。

2.2 实现水流数值化建立，是航运信息化体系建设的需要

21世纪是信息的世纪，加快信息化建设，“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”已经成为我国社会经济发展的一项重要战略举措。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》提出的11个国民经济和社会发展的重点领域中，重点安排的优先主题之（38）：智能交通管理系统即提出要重点开发综合交通运输信息平台和信息资源共享技术。国务院2011年2号文件提出：要加快南京长江下游航运中心建设，推进水运信息化，建设水运公共信息服务系统[4]。

在航运硬件设施和航运量飞速发展的同时，航运软件设施发展则相对滞后[5]。由于中国水资源发达、河流众多，要构建中国内河水运公共信息服务平台，就必须将内河水资源信息化、数字化，以实现中国内河水运的实时监测管理、动态模拟及跟踪。因此，水流数值化建立的实现，是航运信息化体系建设的重要前提和保障。

2.3 模拟水流因子并完成信息输出，是保证河流研

究经济性的需要

随着我国经济的迅速腾飞以及对内河航运、水利发电等技术的进一步开发，国家有关部门愈发高度重视对河流资源的利用，国家有关部门、各高校以及众多科研单位加大了对河流的原型观测与规律研究。据不完全统计，仅在2009年，我国各交通部门、科研单位用在天然河流水力因子的原型观测、物模建立的费用就达到42.5亿元，数额十分巨大，如果通过数值模拟来进行相关数据的计算测定，则可大幅度节约测量经费。

采用数值模拟可以大幅度降低研究经费，一般情况下，数值模拟的费用仅为原型观测的5%，仅为物模试验的10%，可以大幅度节约测量经费。

3 数学模型模拟技术介绍及研究现状

3.1 数学模型模拟技术介绍

数学模型采用的浅水动力学计算方法，按离散基本原理可以分为特征线法（MOC）、有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）和有限体积法（FVM）。有限体积法为守恒方程的直接离散，将计算区域划分成若干规则或不规则形状的单元或控制体，处理过程具有较强的灵活性，能够满足复杂边界问题的需要，同时在间断问题的数值模拟方面显示了独特的效果（谭维炎）。近年来，以Riemann解为基础的Godunov型格式成为求解浅水大梯度流动的主要方法，而如何处理任意的水下地形使计算格式保持较好的和谐性成为Godunov格式当前的一个热点问题。

3.2 数学模型模拟技术研究现状

在国内，李义天、周建军、张小峰等学者都建立了自己的平面二维泥沙模型。陆永军对在航道整治工程中细部水流结构及河床变形的模拟有较深入的研究；钟德钰等考虑环流横向输沙及河岸变形对平面二维模型进行了扩展。在国外，也有许多较为成功的模型，如荷兰Delft水力学实验室的Van Rijn模型、Iowa水利所的MOBED2模型、丹麦水利所的MIKE21模型及德国Karlsruhe大学的FAST 2D模型、美国Mississippi大学水科学计算中心CCHE2D模型等。

目前，在数学模型技术及其应用方面的专利成果较少，能够查询到的为数不多的专利也仅仅是应用了成熟的数值模拟方法针对某一问题进行了小的技术处理。一方面，这可能跟其专业性质有关，另一方面则是因为数学模型采用的基本理论、基本方法仍然还是原有的知识，目前在这方面没有形成大的突破。在实际的应用中，大多数现有的商业软件或者是自编软件都已经足够，只需要针对具体的问题进行建模及调试模型即可，所以很难涌现出真正意义上的有自主知识产权的突破性的专利技术。

4 本研究技术应用前景

4.1 航道工程整治

根据待整治航道工程的实际情况，建立研究河段的平面水流二维数学模型，分析其水流结构与水流流向，如图1所示，为航道整治提供切实有效的数据基础，从而制定相应的工程处理措施，达到航道整治的目的。

图1 研究河段水流结构与水流流向模拟分析

4.2 对水力因子的模拟计算及提取

在实际工程方案设计中，常常遇到业主提供的资料有限、资料施测范围有限或者提供资料测量误差较大的不利情况，严重影响到工程方案的研究设计。在此情况下，如果重新进行数据测量，不仅费时费力，同时也将产生大量测量费用，甚至由于某些工况的及时性无法再次测量。因此，可考虑根据各个边界控制情况，建立二维数模进行模拟计算，在模拟计算后，可轻易提取计算区域内任何一点的水位、流速、水深、水面比降、水流功率等重要水力因子，如图2-4所示。

图2 水位分布

图3 流速分布

图4 水深分布

在上述不利条件下，使用数值模拟方法，不但可以提高分析基础数据的精度，而且使用数模计算不受环境条件的影响，不受场地、时间等因素的限制，避免模型试验与原型测量，节约大量的时间、物力、人力资源，十分经济。

4.3 工程整治方案效果对比

在河道整治方案确定前，必须对整治方案的效果进行对比分析，最重要的参考依据和指标就是整治前后流场的对比以及整治区域内流速大小、方向的变化。以往情况下，我们都选择物理模型作对比，然而由于物理模型制作困难，比例尺难以确定，且耗时耗力，非常不经济，因此可考虑使用数值模拟的方法来代替。

把某河段在方案整治前、整治后的流场绘制下来，如图5-6所示，并计算工程方案整治前后研究河段区域的水流流速变化大小，绘于图7。由这几幅图也可看出，使用数值模拟方法对比工程方案整治效果更加形象、直观，模拟效果十分良好，

图5 研究河段方案整治前流场

图6 研究河段方案整治后流场

图7 研究河段方案整治前后流速变化

4.4 挖入式港池内水动力条件和淤积规律研究

随着可利用岸线资源不断减少，合理的港池布置设计越来越受到重视，挖入式港池在我国内河航道里应用分布非常广泛。由于港池内的水流特性及水动力条件分布规律十分复杂，目前国内外对此的研究尚处于起步阶段，港池平面形态的布置设计往往依据经验参数，在此前提下设计的挖入式港池普遍存在淤积严重、清淤困难的问题。因此，可通过对港池内水流条件的模拟，了解各港池平面形态下的水流结构与水流运动规律，以得到合理的港池平面形态布置形式以及其他合理减淤措施。

4.5 实测数据数值离散及数值化成图

一般情况下，由于对天然河流的各因子（如地形高程）测量都是离散随机的数据点，如图8所示，无法直观分析出河道该因子（地形）分布，因此借助数值模拟的有限元离散功能，将实测数据点离散成二维平面图，如图9所示。

图8 研究河段实测数据点分布

图9 二维平面数值离散

4.6 不同工况下的航道条件对码头岸线影响对比

在天然河流里，受不同季节降雨量影响，河道水位水力因子变化较大，对航道、港口码头的影响也不同。要综合考虑这些情况制定合理的航道边界以及合理的码头设计方案，就必须充分考虑各极端工况下的流场、水位、流速、流向、水流功率等因子的情况及变化规律。某河段在不同工况下的流场情况，如图10-17所示。

图10 研究河段在工况一下的流场分布

图11 研究河段在工况二下的流场分布

图12 研究河段在工况三下的流场分布

图13 研究河段在工况四下的流场分布

图14 研究河段在工况五下的流场分布

图15 研究河段在工况六下的流场分布

图16 研究河段在工况七下的流场分布

图17 研究河段在工况八下的流场分布

5 结语

随着我国交通部门及有关单位对河流资源开发重视程度的提高以及航运信息化的大环境背景，加快航运工程的数字化、信息化建设已成该行业发展的主流趋势。因此，大力推动河流数值模拟技术具有十分重要的意义与价值。

与以往的原型观测和物理模型试验相比，数值模拟技术计算精度高、计算结果直观且容易输出，使用数模计算不受环境条件的影响，不受场地、时间等因素的限制，能节约大量的时间、物力、人力资源，成本极低，经济效果十分明显。同时，将河流数值模拟的方法应用到航道项目工程中，理论正确、模拟效果良好，成本低廉，可以大幅度降低工程成本，具有广阔的应用前景。

[1]郭莲清.天津港码头结构综述[J].港工技术，2001，（12）：63-71．

[2]谢龙.三峡变动回水区末端段复合水动力条件分析及对泥沙输移的影响[D].重庆：重庆交通大学，2013.

[3]张强，刘现鹏.岸坡土体变形对天津港高桩码头的危害[J].水道港口，2005，26（4）：241-242.

[4]田双珠，张勇，李越松.天津港高桩码头岸坡变形规律研究[J].水道港口，2006，27（3）：180，184.

[5]陈建，李义天，邓金运.汛限水位优化调度对三峡水库泥沙淤积的影响[J].水力发电学报，2012，31（1）：183-188.

TV147

B

1004-7328（2014）06-0038-05

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.06.014

2014-07-01

国家自然科学基金（50879006）

谢龙（1988-），男，硕士研究生，主要从事港口、海岸工程模拟技术的研究工作。