龙口南山LNG码头工程波浪数值模拟研究

张焯

摘 要：为研究规划建设的龙口南山LNG码头的波浪分布情况，采用MIKE 21 BW波浪数学模型，对工程海域波浪进行了数学模型计算，推求了工程设计波要素、港区波高分布。数值模拟结果表明：龙口南山LNG所在地海域常浪向为NE向，强浪向为NE向和NNE向;不同设计水位下，拟建LNG码头处在重现期100年一遇波浪作用、重现期50年一遇波浪作用和重现期2年一遇波浪作用时，拟建码头处最大H13%波高分别为5.06m、4.62m、和2.53m。

关键词：波浪;MIKE21-BW模型;数值模拟;龙口南山LNG码头

中图分类号：U656.2             文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）11-0152-03

龙口南山LNG接收站及码头项目站址位于烟台港龙口港区[1]规划的LNG专区（西突堤北侧起，见图1）。一期工程建设6座22万方LNG储罐及气化配套设施，一期工程规模为500万吨LNG/年。该项目还将配套新建天然气外输管线，管道规划设计压力10MPa，管径1219mm，连接至附近区域的天然气管网。

为更好地分析掌握LNG码头水域波浪要素，本项目拟通过波浪数学模型试验，对拟建工程设计波要素和波况分布进行计算，为工程设计、施工以及运营维护提供相关依据。

1波浪条件

工程所在地海域常浪向为NE向，其次为NNE向，年频率分别占8.3%和5.0%;强浪向为NE向和NNE向，其次为NW向，2m以上的波高出现频率分别占1.1%、0.8%和0.4%。在波浪模型计算中采用-15m水深处各重现期波浪要素（见表1）。

2波浪数学模型

本次工程波浪要素计算研究，主要为码头提供工程波浪设计依据。港区码头波浪要素计算采用MIKE 21 BW波浪数学模型，可以考虑地形和水工建筑物对波浪的折射、反射和绕射以及底部摩阻损耗等的影响，近年来在港口波况研究中广泛应用。该模型可为码头提供设计波要素[2]。

2.1控制方程

连续方程：

x方向动量方程：

y方向动量方程：

其中：

式中：n为孔隙率;t为时间;为波面高度;为直角坐标系坐标;P、Q为x、y方向流速水深积分（流量分量）;d为静水深;h为总水深，h=d+;Rxx、Rxy和Ryy表示由非均匀速度引起的剩余动量;Fx、Fy为x、y方向水平应力;g为重力加速度;、为层流和紊流阻力系数;为谢才系数;B为色散系数;P、Q、、d 的脚标、、表示对其的偏导数。

其中，为水平方向的涡流速度。

2.2数值解法

采用的数值方法基于SYSTEM 21结构，它由Abbott等（1978）引入并推广到短波模拟。后来这一结构得到了持续的发展[3，4]。

差分方程空间离散采用矩形交替网格。其中水面高程等标量定义于网格结点，而流量分量则定义在相应方向的网格线中点。空间导数的有限差分近似值采用中心格式（对流项除外），时间积分采用时间中心隐式格式，即Boussinesq方程采用的算法是非迭代交替方向的隐式（ADI）算法分步计算。

3试验结果及分析

根据龙口南山LNG规划布置，根据MIKE 21 BW模型计算，在拟建LNG码头位置处布置波浪要素特征点，分别位于两侧系缆墩和码头平台，分别为M1、M2和M3。特征点布置见图2。

3.1 WNW向波浪结果分析

重现期100年WNW向波浪作用下，LNG码头区域各测点最大H13%波高为5.01m;重现期50年WNW向波浪作用下，LNG码头区域各测点最大H13%波高为4.62m;重现期2年WNW向波浪作用下，LNG码头区域各测点最大H13%波高为2.53m。

比波高分布如图3所示。

3.2 NW向波浪结果分析

重现期100年NW向波浪作用下，LNG码头区域各测点最大H13%波高为5.06m;重现期50年NW向波浪作用下，LNG码头区域各测点最大H13%波高为4.58m;重现期2年NW向波浪作用下，LNG码头区域各测点最大H13%波高为2.50m。

NW向比波高分布如图4所示。

3.3 NNW向波浪结果分析

重现期100年NNW向波浪作用下，LNG码头区域各测点最大H13%波高为4.67m;重现期50年NNW向波浪作用下，LNG码头区域各测点最大H13%波高为4.32m;重现期2年NNW向波浪作用下，LNG码头区域各测点最大H13%波高为2.28m。

NNW向比波高分布如图5所示。

3.4 N向波浪结果分析

重现期100年N向波浪作用下，LNG码头区域各测点最大H13%波高为3.26m;重现期50年N向波浪作用下，LNG码头区域各测点最大H13%波高为3.06m;重现期2年N向波浪作用下，LNG码头区域各测点最大H13%波高为1.57m。

N向比波高分布如图6所示。

经统计，在N向～WNW向波浪作用下：

（1）重现期100年一遇波浪作用时，百年一遇高水位、极端高水位、设计高水位、设计低水位下，拟建码头处最大H13%波高分别为5.06m、5.01m、4.62m和4.36m;

（2）重现期50年一遇波浪作用时，百年一遇高水位、极端高水位、设计高水位、设计低水位下，拟建码头处最大H13%波高分别为4.62m、4.58m、4.24m和4.02m。

（3）重現期2年一遇波浪作用时，百年一遇高水位、极端高水位、设计高水位、设计低水位下，拟建码头处最大H13%波高分别为2.53m、2.52m、2.44m和2.36m。

4结论

本研究结合龙口南山LNG接收站码头平面布置方案，利用MIKE 21 BW波浪数学模型，对工程海域波浪进行了数学模型计算，推求了工程设计波要素、港区波高分布，主要结论有：

（1）龙口南山LNG所在地海域常浪向为NE向，强浪向为NE向和NNE向。

（2）不同设计水位下，拟建LNG码头处在重现期100年一遇波浪作用、重现期50年一遇波浪作用和重现期2年一遇波浪作用时，拟建码头处最大H13%波高分别为5.06m、4.62m、和2.53m。

参考文献：

[1]刘臣，闫建英.龙口港屺坶岛LNG码头港址通航水流条件分析[J].中国水运（下半月），2012，12（12）：171-173，170.

[2]张娜，郭科，王旭辉. MIKE21—BW模型在日照总平面设计方案可行性研究中的应用[J].中国港湾建设.2007（1）：32-34.

[3] M.B.Abbott，H.M.Petersen and O.Skovgaard. On The Numerical Modelling of Short Waves in Shallow Water[Z].Mike 21 Manuals.

[4] Per A.Madsen， Russel Murray and Ole R.Sorensen. A New Form of The Boussinesq equations with Improved Linear Dispersion Characteristics[Z]. Mike 21 Manuals.