新型流体数值仿真平台

日期:2020-01-09 / 人气: / 来源:未知

       在汽车外形设计、桥梁、码头和港口等工程建设前,使用数学模型进行论证分析已成为国际国内通用方法。该平台是具有自主知识产权的专门用于汽车工业、海洋工程和海岸工程的流体仿真平台,能够辅助设计人员高效精确地进行数值仿真,多方案进行比较,优化设计,缩短设计周期,减少实验费用。
       该平台包括四个子系统,即数值实验水槽子系统、数值波浪水池子系统、生态水动力学模拟子系统和新型数字风洞子系统。

  (一)数值实验水槽子系统

       数值实验水槽采用二维时变雷诺方程作为流体运动的控制方程建立数值试验水槽的数学模型,模型中采用湍流模型来封闭雷诺方程,为模拟波浪运动对水面附近物体的影响,模型中采用流体体积函数(VOF)方法跟踪自由表面的运动。采用有限体积法对模型进行离散求解,实现数值实验水槽。
       “数值实验水槽”可用于研究不同形式防波堤与波浪的相互作用过程,以及投放体、受力抛体、浮体等类型的海洋监测仪器的水动力学特性,为海洋监测仪器的设计和制造,以及海洋监测仪器模型实验和现场试验方案的优化提供必要的数据和参考。在一定程度上代替、配合造价昂贵的实验室水槽。


图1 数值试验水槽界面

  (二)数值波浪水池子系统

       数值波浪水池系统是建立在修正后的Boussinesq方程的基础上,该模型能将高精度紧致差分格式应用到Boussinesq方程中,改善了模型对非线性浅化问题的模拟能力。系统采用控制方程加“源项”的方法造波,用“海绵层”来处理开边界。将“窄缝法”应用到水动力学模型中,以模拟计算中的动边界。数值波浪水池系统能够模拟波浪在复杂地形下的折射、绕射、浅化以及反射等复杂的非线性变形过程。为工程设计提供波浪要素。
       数值波浪水池软件系统具有以下功能:可灵活地产生正向、斜向规则波和随机波列;可根据需要输出所关心位置(测量点)的水面和断面平均流量变化过程数据;可根据需要输出所关心位置(测量点)的波高比值(相对波高)数据;可输出所关心区域内的波高比值数据;可输出给定时刻某一区域内自由面(波面)的位移及断面平均流量数据;具有动态显示功能,可根据计算结果显示波浪在复杂地形和结构物作用下的传播、演化过程。


图2 数值波浪水池系统界面

  (三)生态水动力学模拟子系统

       系统可对水位开边界和流量开边界的地形进行模拟;可根据需要输出所关心位置(测量点)的水面变化过程数据;可在计算域内添加污染物点源;使用给定的流速场,而不必进行流场的计算;可根据需要在某一固定点排放质点,并对质点的运动进行跟踪计算和图形绘制,输出不同时刻的质点分布图形文件。能够模拟海浪传向海岸过程中,由于波浪破碎产生的近岸波生流系。包括考虑氮、磷转化和水动力学条件的生态水动力学模型,其中将海湾的生态系分为浮游植物、浮游动物、营养盐、悬浮碎屑四个功能群。


图3 生态水动力学模拟系统

  (四)新型数字风洞子系统

       新型数字风洞用第二代新型格子Boltzmann模型来快速有效地精确模拟流体在风洞中的流动过程,从而达到控制流动现象、改善设计和优化相关产品。
       新型数字风洞主要针对建筑大楼在各主要设计风速和风向下,以连续介质为基本假设,基于传统的时均雷诺方程和湍流模型为控制方程,采用高精度的数值差分方法,以最基本、能准确地描述流体粒子运动规律的统计物理学为基础的微观力学的方法,即基于Boltzmann方法的基本原理,再加上湍流模型为基础建立起来的新型数值风洞系统。能计算建筑物周围的流动分布,并计算大楼受到的风载;根据计算结果,分析局部载荷集中位置,为工程的设计和施工提供技术支持和保障。


图4 数字风洞系统

  典型案例:

(一)用数值实验水槽为金塘大桥桥墩基础进行波浪力复核

  金塘大桥由东向西连接金塘岛与宁波市,是舟山大陆连岛工程的第五座特大跨海桥,起于金塘岛上雄鹅嘴,接在建的西堠门大桥,经化成寺水库、茅岭、沥港水道和灰鳖洋海域,与规划中的宁波沿海北线高速公路相交,终点为宁波市绕城高速公路。总投资约77亿元。金塘大桥项目由金塘大桥(主通航孔桥、东通航孔桥、西通航孔桥、非通航孔桥以及金塘侧引桥、浅水区引桥、镇海侧引桥)和金塘岛连接线组成,全长26.54 km,是舟山连岛工程项目重要的组成部分,其中跨海大桥长18.415 km,两侧接线长约8.5公里。从规模和长度上看,金塘大桥将是继东海大桥、杭州湾第一座跨海大桥后的国内又一座特大型跨海大桥。

       

图5 金塘大桥外观图图                                                            6 典型的桥墩基础

用数值实验水槽进行了金塘大桥主要16个桥墩的桥墩基础波浪力进行了复核,其中桥墩基础的承台波浪力的计算用“数值实验水槽”进行的,承台支撑的圆柱群的波浪力用经验公式计算的。
图7至图10为第二合同段,西南通航孔桥连续梁主墩承台与波浪作用典型时刻的波面图和截面流速分布。


图7 金塘大桥某桥墩基础附近的波面图
      
图8 X-Z截面(横桥向)上的流速场          图9  Y-Z截面(顺桥向)上的流速场          图10 X-Y截面(水平截面z=17米)上的流速场

(二)用数值波浪水池为黄骅港整治工程结构物提供设计波浪要素

       黄骅港位于河北省沧州市以东90公里渤海之滨,是国家“西煤东运”第二条大通道的主要出海口,在“北煤南运”煤炭运输系统中起着举足轻重的作用。也是集矿路港电一体化开发、产运销一条龙经营的神华系统工程的重要组成部分。
       在二期整治工程中,甲方共提出两个平面布置方案,方案一和方案二。其中方案一在航道开始处设置了宽度为两公里、长度为4公里的消能缓冲区,方案二则不带消能缓冲区,两堤间距为一公里。分别见图11和图12。
       运用本项目的数值波浪水池为黄骅港整治工程的防波堤提供了设计波高,并分析了由于航道的折射对波能的积聚状况。图13和图14分别为计算得到的波浪场。目前黄骅港二期整治工程整体已经通过验收,并安全运行至今。

     
图11地形等直线图和平面布置方案一                               图12地形等直线图和平面布置方案二
     
图13 对应平面布置方案一的某情况下波浪场                         图14 对应平面布置方案二的某情况下波浪场

(三)用生态水动力学模拟子系统为渤海湾海岸带开发对近岸海域水动力环境的影响预测

       随着滨海新区的发展,天津市对天津近岸海域进行了规划,依照规划实施时间,按照天津港现状、临港工业区一期、临港工业区二期、天津港南疆港区、天津港人工港岛、泰达围海造地的顺序依次作为模拟背景。模拟在开发活动影响下的潮流场情况,潮流场如图15至图19所示:
       图15a和图15b分别为现状地形下涨急落急时刻的潮流场,潮流场具有涨急落缓的特征,由于地形的影响在北塘排污口和大沽排污口附近涨潮时流速指向排污口,落潮时背离排污口。
       图16和图17为天津港临港工业区一、二期,南疆二期相继建成后的潮流场。可以看到临港工业区占据了大沽排污口附近原来较强的潮流场,并与天津港南疆形成了大沽沙航道,航道内流速较小,不利于航道内污染物的输移扩散。
       图18和图19为天津港人工港岛、泰达围海造地相继建成后的潮流场。可以看到天津港人工港岛、泰达围海造地形成了较窄的水道,水道内流速也较小。
       由图15至图19各图可知,从整体上来看,海岸带开发活动将对渤海湾潮流场产生影响,离岸越近影响越大,离岸越远影响越小。


(a) 涨急                                                           (b) 落急
图15 天津港现状地形情况下潮流场

(a) 涨急                                                    (b) 落急
图16  天津港临港工业区一期期完成后潮流场

(a) 涨急                                            (b) 落急
图17  天津港南疆二期、临港工业区二期完成后潮流场

(a) 涨急                                                       (b) 落急
图18  天津港人工港岛、南疆二期、临港工业区二期完成后潮流场

(a) 涨急                                                (b) 落急
图19  天津港人工港岛、南疆二期、临港工业区二期、泰达围海造地完成后潮流场

(四) 用生态水动力学模拟子系统为海岸带开发对污染物输移扩散的影响及水质预测

       大沽排污口是指天津南排污河的排污口,它位于天津港南侧。对于大沽排污口,其附近的开发活动主要有临港工业区建设、天津港人工岛、南疆港区建设,结合这几项开发活动,对大沽排污口排污进行了模拟。选取COD为模拟对象,排放量为3.6kg每小时,统计每个潮周期各区域最大值,模拟结果如图20所示。
       在临港工业区建设前,受天津港南疆建设的影响,大沽排污口排出的污染物向其南侧有明显输移,如图20a;临港工业区一期建成后,其向南侧输移减弱,如图20b;临港工业区二期建成后,使大沽排污口排出的污水对其南侧影响进一步降低,影响基本不明显,但是,对其北侧影响加剧,使得污水倒灌入天津港,此外临港工业区二期与天津港南疆港区之间的海河治导线内污水浓度很大,水质恶化,严重影响了天津港和临港工业区环境质量,如图20c所示。因此,需要对大沽排污口附近污水排海方案进行研究。


图20a  天津港现状大沽排污口排污浓度场等值线图

图20b  天津港现状、临港工业区一期完成大沽排污口排污浓度场等值线图

图20c  天津港人工港岛、南疆二期、临港工业区二期完成 大沽排污口排污浓度等值线图

(五)上海洋山深水港潮流、泥沙数值模拟

    伴随着经济全球化,世界航运市场正在迅速走向一体化、网络化,世界范围内的市场竞争日趋激烈。竞争的焦点也越来越明显,就是在全球市场上争夺航运中心地位,抢占航运制高点。在我国这样一个市场巨大、腹地辽阔的国家,特别是长江三角洲地区,如果没有一个国际航运中心,在国际分工与竞争中就会处于被动地位。为此改变这种状况,洋山深水港区工程从2002年6月开工,目前,一、二期工程已经完工,但西港区如何建设,中交三航院共提出了两个方案,其中一个为大通道方案,一个为汊道方案。其现状、大通道方案和汊道方案如图21所示,用本项目的生态水动力学软件系统的水动力学子模型模拟了三个方案的流动状态,如图22所示,根据模拟结果,给总设计单位提出了合理的建议。

       
(a)现状                                      (b)大通道方案                                 (c)汊道方案
图21 三种平面布置方案
              
图22   三套方案大潮涨急时刻流场比较
(蓝:现状;红:大通道;绿:汊道)

作者:tjpd


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