柵欄板護(hù)面斜坡堤越浪數(shù)值模擬研究

閆科諦，張慶河

（天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300072）

柵欄板護(hù)面斜坡堤越浪數(shù)值模擬研究

閆科諦，張慶河*

（天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

基于計(jì)算流體力學(xué)開源軟件OpenFOAM，利用數(shù)值波浪水槽建立了斜坡堤越浪模擬模型。模擬了規(guī)則波作用下光滑坡面斜坡堤的越浪過程，并將越浪量計(jì)算結(jié)果與已有的斷面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，兩者較為吻合，從而驗(yàn)證了模型的合理性。進(jìn)一步針對(duì)規(guī)則波作用下柵欄板護(hù)面斜坡堤越浪過程進(jìn)行模擬，通過網(wǎng)格細(xì)分，刻畫出了柵欄板凹槽的形狀，比較了斜坡堤在鋪設(shè)柵欄板斜坡堤的情況下和光滑堤面情況下的波浪爬坡示意圖，結(jié)果表明柵欄板對(duì)波浪爬坡有阻礙作用。計(jì)算得到柵欄板凹槽內(nèi)的流場(chǎng)圖和波浪爬坡過程中的湍動(dòng)能耗散圖，討論了柵欄板的消能過程。比較了無柵欄板和有柵欄板情況下的越浪量，結(jié)果表明柵欄板護(hù)面對(duì)斜坡堤越浪量的折減系數(shù)約為0.81。

OpenFOAM；規(guī)則波；越浪；柵欄板

0　引言

斜坡式海堤是圍海工程中常見的護(hù)岸建筑物，海浪與斜坡式護(hù)岸建筑物接觸后會(huì)沿建筑物的坡面向上爬高，當(dāng)爬高超過堤頂時(shí)即發(fā)生越浪。越浪會(huì)對(duì)后方區(qū)域的使用造成影響，準(zhǔn)確確定越浪量是斜坡堤設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。

國(guó)內(nèi)外早期研究越浪主要以物理模型實(shí)驗(yàn)為主，近年來，隨著并行計(jì)算和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值方法模擬越浪受到人們的關(guān)注。Hu等[1]發(fā)展了基于淺水方程的AMAZON模型模擬了波浪在斜坡堤和直立堤上的越浪過程，吳辰等[2]利用基于非靜壓方程的SWASH模型模擬了規(guī)則波和不規(guī)則波在斜坡堤上的越浪過程，但這類方法對(duì)于自由表面有劇烈翻卷和摻氣的情況并不完全適用?；谟?jì)算流體力學(xué)（CFD）的數(shù)值模型可以更為準(zhǔn)確地模擬波浪爬坡和越浪過程，劉亞男等[3]基于FLUENT流體軟件，模擬了規(guī)則波在光滑不可滲透斜坡堤上的越浪過程，并與Saville[4]的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。張九山等[5]將多孔介質(zhì)模型作為耗散源項(xiàng)添加到動(dòng)量方程中，模擬了帶異形塊體海堤的越浪過程，給出了異型塊體多孔介質(zhì)模型的阻力系數(shù)，王鵬等[6]通過FLUENT軟件平臺(tái)的二次開發(fā)功能實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量源造波，在動(dòng)量方程中添加多孔介質(zhì)源項(xiàng)，對(duì)斜坡堤上鋪設(shè)異型塊體時(shí)的爬高與越浪進(jìn)行了數(shù)值模擬。上述研究工作尚無法做到精確刻畫出護(hù)面塊體的形狀，模擬出波浪與塊體作用時(shí)的流場(chǎng)變化，因此進(jìn)一步發(fā)展精細(xì)數(shù)值模型描述斜坡堤越浪現(xiàn)象對(duì)海堤設(shè)計(jì)具有重要意義，值得進(jìn)一步探索。

本文將利用管寧[7]基于OpenFOAM開源軟件建立的數(shù)值波浪水槽，通過網(wǎng)格剖分實(shí)現(xiàn)對(duì)柵欄板形狀的描述，模擬規(guī)則波作用下帶柵欄板護(hù)面的斜坡堤越浪過程，與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，并進(jìn)一步討論柵欄板對(duì)于越浪量的影響。

1　控制方程

本文采用OpenFOAM中的兩相流模型，通過求解RANS方程，模擬水體和空氣兩相不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)，紊流模型選取RNG模型。采用VOF方法捕捉交界面，流體運(yùn)動(dòng)滿足不可壓縮連續(xù)性方程和時(shí)均N-S方程，VOF中體積函數(shù)需要滿足對(duì)流方程?？刂品匠倘缦?

式（1）為連續(xù)性方程，式中:U是速度矢量。式（2）為動(dòng)量方程，式中:ρ為流體密度；μeff是考慮了分子動(dòng)力黏性和紊流作用的渦黏性系數(shù)，μeff=μ+ ρvturb，vturb為紊動(dòng)黏滯系數(shù)，vturb=ρCμk2/ε；p_rgh是修正壓力，p_rgh=p-ρg·X，X是位置矢量。式（3）為VOF方法中求解體積函數(shù)的對(duì)流方程。γ為流體體積函數(shù)，是一個(gè)定義在每個(gè)單元中心的標(biāo)量，取值在0~1之間，等于0表示該單元完全被空氣填滿，等于1代表單元全部被水填滿，在0到1之間說明單元內(nèi)部是空氣和水的混合體。與經(jīng)典N-S方程相比，動(dòng)量方程右端增加了兩項(xiàng)，式中:ρS為分布造波源項(xiàng)；ρrU為消波項(xiàng)；r為阻尼消波系數(shù)[7]。

2　光滑斷面越浪模擬與試驗(yàn)結(jié)果的比較

Saville[4]在水槽中進(jìn)行了系列規(guī)則波作用下斜坡堤爬高和越浪實(shí)驗(yàn)，得到了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，Hu[1]和劉亞男[3]分別依據(jù)AMAZON和Fluent進(jìn)行了數(shù)值模擬的驗(yàn)證。本文的OpenFOAM模擬結(jié)果與這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證模型的有效性。

圖1給出了OpenFOAM模型、AMAZON模型和Fluent模型模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值的比較，由結(jié)果可以看出，OpenFOAM模擬斜坡堤越浪的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，也與已有數(shù)值模型結(jié)果較為接近，表明利用OpenFOAM模型研究斜坡堤越浪是可行的。

圖1　不同模型越浪量計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較Fig.1　Comparison of the overtopping calculated value and experiment data by different models

3　帶柵欄板的斜坡堤越浪模擬

3.1實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬設(shè)置

朱偉娜[8]和張志杰等[9]在風(fēng)浪流水槽中進(jìn)行了柵欄板護(hù)面斜坡堤上的越浪實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，海堤模型的坡度為1∶3，堤頂高程為35.5 cm，柵欄板護(hù)面凹槽高度為2 cm，寬1.5 cm，間隔為1.5 cm。實(shí)驗(yàn)水深為0.3 m，波高為0.1 m，周期為1.2 s和1.8 s。

圖2　鋪設(shè)柵欄板斜坡堤示意圖Fig.2　Sketch of sloping dike with fence panels

本算例時(shí)間離散仍采用動(dòng)態(tài)時(shí)間步，最大值不超過T/100，縱向空間步長(zhǎng)Δx=L/100，垂向空間步長(zhǎng)取波高的1/20，造波源中心位于堤前6倍波長(zhǎng)處。對(duì)鋪設(shè)柵欄板的斜坡堤計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密，縱向空間步長(zhǎng)取0.167 cm，從堤底到計(jì)算區(qū)域頂部垂向空間步長(zhǎng)均取0.167 cm。對(duì)柵欄板凹槽進(jìn)行精確刻畫，如圖3，每個(gè)凹槽內(nèi)部都劃分為9×9的網(wǎng)格，即每個(gè)網(wǎng)格的尺寸統(tǒng)一取為0.167 cm×0.222 cm。通過對(duì)網(wǎng)格的剖分，較為準(zhǔn)確地刻畫出柵欄板的形狀，提高計(jì)算精度。

圖3　柵欄板凹槽細(xì)部網(wǎng)格圖Fig.3　The mesh for the grooves of fence panels

應(yīng)當(dāng)指出，本文在刻畫柵欄板形狀時(shí)，采用了和物理模型實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的矩形體，而JTS 154-1—2011《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[10]中規(guī)定的工程中應(yīng)用柵欄板的形狀并非為矩形體，而是上部寬下部窄的梯形體，而且實(shí)際工程中柵欄板下面的堤面是可滲透的，并不是光滑不透水的，所以本文模擬的結(jié)果和實(shí)際工程相比有一定的差別，有待進(jìn)一步研究。

3.2有無柵欄板坡面爬坡與越浪過程模擬結(jié)果比較

圖4顯示了波浪周期T=1.8 s的情況下，單個(gè)波浪從傳播到堤前然后開始爬高、越浪的過程，可以看到，波浪爬坡過程大致為，波浪傳播至堤前—翻卷破碎—水體上升—到達(dá)堤頂形成越浪。

比較無柵欄板和有柵欄板的越浪過程可以觀察到，帶柵欄板的斜坡堤波浪發(fā)生翻卷的時(shí)間明顯晚于無柵欄板的情況，發(fā)生翻卷時(shí)帶柵欄板的波浪波面線陡度明顯小于無柵欄板的情況，有柵欄板的情況下翻卷、拍擊堤面的水體量明顯少于無柵欄板的情況，水體反卷時(shí)卷入空氣的量和氣泡的大小也明顯小于無柵欄板時(shí)的情況，氣泡更加分散?？梢钥闯觯瑤艡诎宓那闆r下，水體翻卷、卷吸空氣、拍擊堤面的現(xiàn)象明顯減弱。柵欄板會(huì)對(duì)波浪爬高產(chǎn)生阻礙作用。

圖4　波浪爬高越浪過程波面示意圖Fig.4　Sketch of surface elevation of wave run-up and overtopping

3.3柵欄板影響的細(xì)部流場(chǎng)和湍動(dòng)能耗散率分析

圖5顯示了柵欄板凹槽內(nèi)部水體流場(chǎng)在波浪爬高過程中的變化，水體處于回流階段時(shí)，槽內(nèi)存在逆時(shí)針的漩渦。波浪開始爬高后，在向上的水體的帶動(dòng)下，凹槽上部出現(xiàn)順時(shí)針的漩渦，下部仍為逆時(shí)針漩渦。隨著水體繼續(xù)向上爬高，順時(shí)針的漩渦逐漸發(fā)展，逆時(shí)針漩渦越來越小，最終槽內(nèi)完全形成順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的漩渦。圖6顯示了波浪爬坡某時(shí)刻的湍動(dòng)能耗散率分布圖，深淺黑色條代表湍動(dòng)能耗散率的大小，單位為J/（kg·s）?？梢钥闯觯瑤艡诎宓暮５痰堂嫱膭?dòng)能耗散率明顯大于無柵欄板的海堤，柵欄板附近對(duì)水體動(dòng)能的耗散有明顯的影響。本文模擬結(jié)果與張志杰[10]通過Flow3D計(jì)算得到的結(jié)果一致。

圖5　柵欄板凹槽內(nèi)流場(chǎng)變化圖Fig.5　Variation diagram of velocity fields in the grooves of fence panel

圖6　t=16.25 s湍動(dòng)能耗散率分布比較圖Fig.6　Turbulent dissipation rate distribution at t=16.25 s

表1顯示了周期T=1.2 s和T=1.8 s情況下實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬的越浪量結(jié)果，可以看出，利用OpenFOAM模擬計(jì)算的越浪量與實(shí)驗(yàn)值基本一致，堤面鋪設(shè)和不鋪設(shè)柵欄板的越浪量比值分別為0.81和0.82，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相同，而且和范紅霞[11]通過物理模型實(shí)驗(yàn)得到的柵欄板越浪量折減系數(shù)也是接近的。

表1　越浪量數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1　Comparison of overtopping numerical results and experiment results

4　結(jié)語

本文利用基于開源軟件OpenFOAM建立的數(shù)值波浪水槽，模擬了規(guī)則波在光滑不透水斜坡堤斷面上的越浪過程，得到的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)有的數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果較吻合，驗(yàn)證了模型的有效性。進(jìn)一步通過網(wǎng)格精細(xì)剖分模擬了柵欄板護(hù)面斜坡堤的越浪，通過分析柵欄板凹槽內(nèi)部水體流場(chǎng)和柵欄板附近的湍動(dòng)能耗散率，討論了柵欄板的消能原理。模擬得到了有柵欄板和無柵欄板護(hù)面斜坡堤平均單寬越浪量，與實(shí)驗(yàn)值相比有較好的一致性。根據(jù)模擬結(jié)果，在相同的波浪作用下，相對(duì)于光滑坡面，柵欄板對(duì)于越浪量的折減系數(shù)在0.81左右。

防波堤越浪是十分復(fù)雜的過程，本文目前的精細(xì)模擬能夠通過網(wǎng)格細(xì)分刻畫護(hù)面塊體的結(jié)構(gòu)，但對(duì)于護(hù)面塊體下方墊層和堤心堆石的影響尚未考慮。由于堤心石塊體很小，完全通過網(wǎng)格細(xì)分刻畫其滲流作用還不太現(xiàn)實(shí)，因此，將護(hù)面塊體精細(xì)模擬和滲流模型結(jié)合在一起模擬斜坡堤越浪過程是下一步將要進(jìn)行的工作。

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Numerical simulation of overtopping on sloping dike with fence panels

YAN Ke-di,ZHANG Qing-he*
（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

Based on the open source software OpenFOAM,we established a numerical model of overtopping using the numerical wave tank,simulated the overtopping on a smooth slope dike under regular waves.The results are compared with physical model experiment data,proved that the results are in good agreement with the experimental data,which verifies the reasonably of numerical model.We further simulated the overtopping on a sloping dike with fence panels under regular waves, described the grooves of fence panels by subdividing the mesh in them,compared the sketches of wave run up under the slope dike and smooth dike with fence panels,the result shows that fence panels can hinder wave running up.Sketches of velocity fields in the groove and the turbulent dissipation rate distribution are showed in the article.The energy dissipation process of fence panels is also discussed.By comparing the overtopping discharges on slopes with and without fence panels,we obtained that the overtopping discharge friction of fence panels is 0.81.

OpenFOAM;regular wave;overtopping;fence panels

U653.4

A

2095-7874（2016）02-0016-04

10.7640/zggwjs201602004

2015-10-26

2015-12-01

閆科諦（1991—），男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾逼碌淘嚼说臄?shù)值模擬。*通訊作者:張慶河，E-mail:qhzhang@tju.edu.cn