基于Fluent斜坡海堤挡浪墙受力特性数值计算研究
杨成刚;丁洁;郝嘉凌;邹恒
【摘 要】海堤是沿海地区防潮减灾体系中重要建筑物,文章以通州湾腰沙围垦二期通道工程为例,采用Fluent软件流体体积法模型构建数值波浪水槽,对海堤工程挡浪墙波浪力进行数值模拟,重点分析与研究直立型和半圆弧型挡浪墙随水深、波高、波长等参数变化时,挡浪墙迎浪面波压力分布以及波浪力大小变化规律.研究表明半圆弧挡浪墙具有反向挑浪减小墙顶越浪作用,同时墙体承受的波浪力明显大于直立型挡浪墙,在最不利水位及波要素组合下,半圆弧挡浪墙面承受的波浪力增大幅度为30％,为减少墙顶越浪量,大型岸外沙洲围堤工程采用半圆弧型挡浪墙是较好选型.
【期刊名称】《水道港口》
【年(卷),期】2019(040)004刘谦和王力宏
【总页数】11页(P380-390)
【关键词】挡浪墙;波压力分布;波浪力;数值模拟
【作 者】杨成刚;丁洁;郝嘉凌;邹恒
【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098;中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海200136;河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098;上海市政设计研究院,上海200092
【正文语种】与爱别离中 文
【中图分类】U656.2
江苏省海岸线长达954 km，沿中部地区独特的动力地貌蕴育了长约200 km、宽约90 km的辐射沙脊，对其匡围类型有边滩垦区和岸外沙脊垦区。岸外沙脊垦区匡围的技术较边滩匡围难度大。由于新匡围区将建设成为重要港口工业集聚区、宜居沿海城镇区、富有特的滩涂海滨旅游区，不仅有力地推动沿海经济的发展，还能增加就业与社会有效供给，以及改善生态环境，保障经济社会的可持续发展。对此，新匡围区海堤工程结构的坚固与稳定尤为重要，需能确保新匡围区内免受风暴潮、风浪侵袭，其损毁将会造成巨大的经济损失[1]。
海堤堤顶设挡浪墙一方面抵御波浪，另一方面节约断面土石方量[2]。对于挡浪墙结构承受的波浪力值，大多采用物理模型试验研究确定，近年来也有采用波浪数模进行研究。例如：Martin[3]从波浪爬高角度计算防浪墙的波浪力和作用高度，并相应采用物理模型验证。琚烈红[4]通过物理模型分析直立式和圆弧式防浪墙所受波浪力差异。王登婷[5]通过物理模型讨论防浪墙底面高程对其迎浪面及底面上的波浪压强及整体稳定性的影响；王颖[6]在防浪墙上安置三分力天平，直接测其所受的波浪力，并分析不同防浪墙和堤坝组合对其所受波浪力和越浪量的影响，以及防浪墙的整体稳定性。Kortenhaus[7]等较系统地研究了直立堤曲线形式防浪墙对其越浪量和波浪力的影响。刘子琪等[8]对防波堤工程弧形防浪墙防浪效果进行试验研究，对比不同结构型式防浪墙的防浪效果，证明弧形结构防浪最为有效。焦颖颖[9]和Liu[10]等基于Fluent 软件平台建立了二维数值波浪水槽，对规则波作用下不同弧形防浪墙的水动力特性进行了分析研究。
本文基于Fluent软件，对江苏海堤工程堤顶直立型和半圆弧型挡浪墙迎浪面受力进行数值计算，分析研究其受力规律及特性。
1 工程概况
图1 通州湾腰沙围垦二期通道工程平面布置示意图Fig.1 Layout plan for the second phase passageway project of  Tongzhou bay Yaosha reclamation
江苏省南通市通州湾腰沙围垦二期通道工程地处岸外辐射沙脊区，其东西向通道长3.025 km，南北向通道长2.950 km，东西向通道与南北向通道呈“L”型垂直相接，总长度5.975 km(图1)。东西向通道斜坡堤设计断面(以下简称：设计断面)尺度为：断面底高程为1.7 m，挡浪墙顶高程11.4 m(85国家高程、下同)、顶宽30 cm、底高程9.6 m、底宽1.80 m；斜坡堤为单坡，内外坡坡比m=2.0，外坡护面结构采用1.5 t扭王块体、镇压层长19 m、面层块石重150～300 kg；护底结构块石50～100 kg(图2)。
由于工程区域自然条件极为恶劣，当地建设的海岸堤防工程结构屡遭破坏。为此，基于数值波浪水槽理论，对腰沙围垦二期通道工程海堤设计断面挡浪墙受力特性进行数值模拟，分析研究所受波浪力大小及其变化特点。
注：①抛石50～100 kg 厚0.8 m；②抛石护底150～300 kg；③1.5 t扭王字块，厚1.18 m；④袋装砂被；⑤吹填砂；⑥1 t扭王字块厚1.03 m。图2 通州湾腰沙围垦二期通道工程设计断面结构示意图Fig.2 Sketch of design section of the second phase passageway project o
f Tongzhou bay Yaosha reclamation
2 数学模型
2.1 控制方程
对于二维不可压缩的自由流动流体，粘性系数为常数，控制性方程由连续性方程和动量方程组成。
舒克和贝塔歌词连续性方程
(1)
动量方程
(2)
(3)
式中：u和v分别为x和y两个方向的速度分量；ρ为流体密度；μ为动力粘性系数；g为重力
加速度；Fx和Fy分别为x和y两个方向的附加动量源项。
2.2 造波、消波方法
基于N-S方程和VOF方法的波浪数值水槽，在造波区和消波区引入解析松弛方法，其原理是对各区域每时刻的速度和压力按照以下关系进行实时更新。
um=Cul+(1-C)uj
(4)
pm=Cpl+(1-C)pj
(5)
式中：ul表示期望得到的速度，uj表示在区域内速度的修正量，um表示最终得到的速度结果，pl表示期望得到的压力，pj表示在区域内压力的修正量，pm表示最终得到的压力结果，下同。C=C(x)为与空间位置有关的光滑过渡的加权函数。造波区和消波区具有不同的表达式。
对附加动量源项，可以采用忽略粘性的欧拉方程来确定。通过数值方法对包括添加和未添加源项的欧拉方程进行离散化处理，得到各区的源项表达式如下。
造波区
(6)
(7)
左消波区
(8)
(9)
右消波区
(10)
(11)
将各区附加动量源项表达式通过软件自带的接口代入到动量方程式(2)中，从而实现造波和消波。
2.3 压力速度耦合方式
在使用分离求解器时，通常可以选择SIMPLE、SIMPLEC、PISO算法，本文模拟时选择了PISO算法，因为它是专门针对瞬态问题而设计的算法。PISO算法与SIMPLE和SIMPLEC不同之处在于增加了一个修正步，即由预测压力等变量—修正—再修正三个步骤组成，而SIMPLE和SIMPLEC算法只包括前两个步骤。PISO算法的这种优点不但能使得修正值能更好地满足动量方程和连续性方程，而且可加快单个迭代步中的收敛速度[11]。
夜之2.4 压力插值格式
当使用分离求解器时可以采用很多压力插值格式，对于大多数情况,标准格式已经足够了,但是对于特定的某些模型使用其它格式可能会更好：(1)对于具有较大体积力的问题,推荐使用体积力加权格式。因本文模型有较大的重力故选择体积力加权格式。(2)对于具有高涡流数,高雷诺数自然对流,高速旋转流动,包含多孔介质的流动和高度扭曲区域的流动,使用PRESTO格式。(3)对于可压流动推荐使用二阶格式[11]。
3 数值模型建立及验证
3.1 数值波浪水槽建立
数学模型试验构建的数值波浪水槽见图3，其比尺采用1:
1。依据设计断面堤前设计水位及其通道断面尺寸，数值波浪
水槽总长度取600 m，高度取13.0 m，波浪的造波区长度取60
m，前端消波区长度取80 m，工作区长度取360 m，末端消波区
房祖名陈柏霖
长度取100 m。数值水槽网格划分如图4所示，横向网格间距取1.0 m，竖向初始间距为0.8 m，竖向网格疏
松比为0.9，全局水槽最小网格面积为0.4 m2，最大面积为1.464 m2。据来波向，左侧设置为对称边界，顶部
为压力入口，其他部分边界均设置为固壁边界。
图3 数值波浪水槽示意图Fig.3 Schematic diagram of numerical wave flume
2
2
谢容儿绯闻3.2 计算参数设置
沿数值波浪水槽长度方向从造波边界初始位置起，在x=150 m，x=250 m处设置波面监测面来监测工作区波浪自由面数据。
对于每个监测面，其波面水位值hw(x,t)为
(12)
式中：Φ为监测面处网格内水的体积分数；Aj为监测面处网格的面积。
波面水位值减去平均水位值，即可得到该监测面的波高值h(x,t)
(13)
式中：为平均水位值。
设置好监测器后，对数值波浪水槽所有计算区域进行初始化，压力方程采用体积力加权格式，压力速度耦合方式采用PISO算法。设置迭代步长为0.05 s，迭代步数为1 800次，模拟数值波浪水槽90 s造波过程。
3.3 海堤工程波浪断面数值模型构建及验证计算
图4 东西向通道设计断面网格划分情况Fig.4 Mesh layout of east west passageway design section
在数值波浪水槽平台段放置海堤设计断面(镇压层前端位于水槽x=290 m处)，模拟验证计算设计断面在水位8.13 m(50 a一遇极端高水位)，H1%=3.77 m，T=8.09 s条件下挡浪墙墙面受力状况，其网格划分见图4，直立式挡浪墙及测力点的布置见图5(墙前不安放人工块体)。经模拟计算得到直立式挡浪墙墙面波压力大小，并与已有的物模试验结果[12]进行比较(表1)，两者误差在5.0%以内。