【CAE案例】利用三维水动力模型研究模拟泽布鲁日港的涡流模式

CAE璐姐 2023年10月10日浏览：1078

01 研究背景

泽布鲁日港（Zeebrugge）是比利时最重要的海港之一。泽布鲁日港附近区域经常发生强烈的潮汐流，在涨潮时潮汐振幅可达5米。由于潮汐的影响，在港口测量到不断变化的复杂涡流。研究在港口处产生的涡旋，特别是悬浮泥沙流经港口后的重新分配，不论是出于航海目的还是为了加深对港口淤积的了解，都是很有必要的。

02 案例展示

本文将讲解IMDC的工程师通过三维水动力模块，开展潮汐发生时的港口涡流的研究，并将水动力仿真计算的结果与ADCP实际测量结果进行对比验证，并通过改变床面粗糙度和水平湍流粘滞度，对涡旋的形成进行敏感性试验。

03 模型搭建

模型的研究范围以泽布鲁日港为中心，西至法国的Dunkirque，东至荷兰的Goeree-Overflakkee，范围包含了斯舍尔特的东、西河口。海洋边界处网格尺寸为5000 m，在港口附近加密至30 m；网格在竖直方向上离散成不等距的10层。通过Zuno模型获取10 min间隔的时间序列流速和水位数据，并将其作为自由边界条件。

【CAE案例】利用三维水动力模型研究模拟泽布鲁日港的涡流模式的图1 — 图1 模型的网格和底部高程

模型采用Smagorinsky格式计算水平涡旋粘度；采用Nezu和Nakagaw混合长度参数化模型计算垂直涡旋粘度。工程师通过对比实测的水位和流速数据来进行曼宁摩擦系数的校准，得出曼宁摩擦系数的值为0.02s/m1/3，并在靠近港口入口的地方适当增加摩擦系数来表示由堤岸的大型混凝土构件的摩擦带来的影响。IMDC的工程师使用三位水动力模块，以20s的时间步长，进行了时长15天的仿真计算。

【CAE案例】利用三维水动力模型研究模拟泽布鲁日港的涡流模式的图2 — 图2 港口附近的曼宁摩擦系数

04 结果比对

根据ADCP的测量结果，在高水位到达前2h，在港口东面的水坝，有一股水流以射流的形式流入海港，且射流的长度与强度随着时间而增加，这个射流产生了一个顺时针方向的旋转主涡旋（如图3a所示）；在高水位到达前1h，该射流还产生了一个较小的逆时针旋转的次级涡旋，（如图3b）所示。

在模型的计算结果中，高水位的出现时间在整个潮汐周期中更晚。结果重现了ADCP测量结果中的强射流，（如图3c所示），而射流的位置更靠东。伴随着强射流的出现，同样形成了强烈的顺时针旋转的主涡旋。在主涡旋出现后1h（如图3d所示），同样地，射流也促使了较弱的逆时针旋转的次级涡旋的产生。

【CAE案例】利用三维水动力模型研究模拟泽布鲁日港的涡流模式的图3 — 图3 高水位到达前港口涡旋演变过程图
（a,b为ADCP测量结果，c,d为三位水动力模型计算结果）

根据ADCP的测量结果，在高水位到达时（如图4a所示），不再有射流流入港口，涡旋与海上流动解耦，开始遵循自身的动力学，主涡旋的大小和量级开始减少。直至高水位到达的1h后（如图4b所示），港口内只剩下逆时针旋转的次级涡旋，且次级涡旋缓缓向海港入口移动，并逐渐减弱。

而在高水位到达约1h后，模型计算结果中仍然观察到了主涡旋和次级涡旋同时存在（如图4c所示），但随着时间的推移，主涡旋的大小迅速减弱，次级涡旋的强度较小更慢；最后主涡旋完全消失（如图4d所示），这与ADCP的测量结果是吻合的。然而在模型的计算结果中，在主涡旋的北部可以观察到一个与次级涡旋旋转方向相同的，非常微弱的三级涡旋。该三级涡旋没有被ADCP测量到，其原因可能是由于ADCP测量提供的空间分辨率有限，不足以观测到如此微小的涡旋。

【CAE案例】利用三维水动力模型研究模拟泽布鲁日港的涡流模式的图4 — 图4 潮汐中后期高水位到达后港口涡旋演变图
（a, b为ADCP测量结果；c, d为三维水动力模型计算结果）

05 敏感性分析

A．河床糙率

为了评估河床粗糙度对涡旋形成的敏感性，IMDC的工程师不再对港口沿岸的摩擦系数进行增大处理，采用全场恒定的曼宁粗糙度系数0.02 s/m1/3进行仿真。与基础工况相比，模拟的涡流模式发生了显著变化(图5)。首先，可以看到相同的射流发展(图5a)。然而，它的位置略有不同。因此初级涡旋的环流略微增强，而形成的次级环流则略弱于基础工况的次级环流(图5b)。因此，在使用全场统一的曼宁粗糙度系数后，主涡旋不会随着时间的推移而消失(图5c)，最终在退潮阶段在港口仍存在有两个涡流，而不是一个(图5d)，这与ADCP的测量结果是不一致的。

【CAE案例】利用三维水动力模型研究模拟泽布鲁日港的涡流模式的图5 — 图5 在不增加港口沿岸底部摩擦时，涡旋演变过程图

B．湍流模型/涡流粘度

为了测试水平湍流模型设置对港口模型的敏感性，IMDC的工程师采用了水平涡流粘度恒定为1 m2/s的模型来进行仿真计算。计算表明，采用恒定水平涡流粘度模型时结果比水平涡流粘度约为0.01 m2/s的Smagorinsky格式略高。高粘度系数的使用削弱了港口入口处的射流(图6a)。随着时间演进，次级涡旋产生，但仍弱于主涡旋(图6b)。因此在这种情况下，在退潮开始时，主涡旋仍留在港口(图6c)，且比次级涡旋略强。然而，随着时间演进，主涡旋最终消失，流动方向最终与ADCP的测量结果相同(图6d)。

【CAE案例】利用三维水动力模型研究模拟泽布鲁日港的涡流模式的图6 — 图6 采用1m2/s的恒定水平粘滞度的模型计算结果

06 研究结论

IMDC的工程师为了研究泽布鲁日港的涡旋，建立了三维水动力的模型。经过对比验证，水动力模型的计算结果与ADCP的实际测量结果吻合度高。当一个强入流输入港口，在高水位到达前会形成一个强射流，该射流将产生一个顺时针旋转的主涡旋和一个逆时针旋转的次级涡旋，其中只有逆时针的次级涡旋在退潮时仍然可见。对水动力模型的敏感性分析表明，计算结果对靠近港口边缘的河床摩擦非常敏感，且水平涡流粘滞度的变化也会导致港口内出现不同数量的涡。

07 小结

本文主要讲述了IMDC的工程师使用水动力通用仿真软件建立三维水动力学模型来对泽布鲁日港港口由于潮汐产生的涡流进行了仿真计算，并与ADCP的实际测量结果进行了对比。IMDC的研究表明，三维水动力的仿真计算结果具有相当高的准确性和可靠性，可以服务于港口处产生的涡旋对港口淤积的影响研究。

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