MIKE21水动力数学模型在桥梁工程中流场模拟中的应用

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【摘 要】在对MIKE21二维水动力数学模型进行简单介绍的基础上,应用MIKE21水动力模块对拟建桥梁附近河段进行三角形网格剖分,建立河道二维水动力数学模型,对河道流场及圆桥墩局部绕流进行数值模拟,得出建桥前后河道流场变化,从而分析桥墩对河道流场的影响,分析结果可作为桥梁布置重要的设计依据.

【关 键 词 】MIKE21;桥梁;流场模拟

随着中国城市化进程的加快,大量市政工程的建设,在给人们出行带来很大便利的同时,也可能会给河道的行洪产生一定的影响.横山桥位于西湾围涂区内,跨越海涂横河,与高速高速公路交叉.由于横山桥工程支墩和平台的兴建将占用河道的过洪断面,局部水域桩基密集分布,水流条件也相对复杂.为此,本文利用MIKE21软件在桥梁工程附近河段建立二维水动力数学模型,模拟桥梁建成前后附近河段的流场变化,分析桥梁工程对附近流场的影响,为桥梁工程的设计方案优化提出合理化建议.

1.MIKE21模型简介

MIKE21是丹麦水力研究所(简称DHI)开发的系列水动力学软件之一,属于平面二维自由表面流模型.DHI采用MIKE21作为研究手段,在应用中发展、改进和推广该软件.20多年来,MIKE21在世界范围内大量工程应用经验的基础上持续发展起来,在平面二维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能.

1.1 基本方程

二维水动力数学模型控制方程为:

(1)

(2)

(3)

式中:Z为潮位,即水面到某基准面的距离; U、V分别为X、Y方向的垂线平均流速分量;H为水深;g为9.81m/s2,为重力加速度;f为科氏力(,为维度,为地球自转速度);为

谢才系数,取,n为糙率系数;、分别为X、Y方向的涡动扩散系数;Wx、Wy 分别为X、Y方向的风应力分量;X、Y为直角坐标;t为时间.

1.2 定解条件

上述方程组的初始条件:

,,

1.3 边界条件

水边界,“*”表示已知值;

陆边界,法向方向流速为0;

1.4 动边界处理

潮汐河口内水位呈现涨落变化,经常出现浅滩露出问题,即动边界问题.目前处理此类问题主要方法是采用限制水深的方法进行处理,即将网格分为干、湿、及半干单元等三类.

干网格:n时刻,如网格水深h

半干网格:n时刻,如网格水深hdry

湿网格:n时刻,网格水深h> hwet,判定该网格为湿网格.

1.5 计算格式

根据上述条件,控制方程即可利用一定的离散格式求解方程解.求解方程数值方法很多,主要有ADI法、破开算子法、直接差分法、特征线法、有限元法及有限体积法,鉴于三角形网格具有比较容易拟合复杂边界、网格布设灵活、局部加密方便、适应性强的特点,本文采用基于三角形网格的有限体积法离散,变量取在三角形形心,控制体采用三角形网格.对方程离散可得到离散方程组:

其中Ai为控制三角形面积,Fnij为三角形各边的计算通量,为三角形边长,Si为方程源项.

上述离散方程中离散通量Fnij的计算采用近似黎曼解Roe格式离散对流通量.

2.模型应用

2.1 工程概况

横山桥位于平阳县鳌江镇东部、鳌江入海口北侧的西湾围涂区块内.横山桥桥梁宽度40m,长度76.8m,汽车荷载为城市-.桥梁上部拟采用预制板梁结构,下部结构采用重力式承台,桥墩处采用柱接盖梁形式,基础为钻孔灌注桩.横山桥与甬台温高速公路桥交叉,跨越海涂横河,河道最小控制宽度35m.

2.2 研究范围及网格剖分

计算区域全长300m,模型采用三角形网格划分.为模拟大桥建成前后的流场变化,分别建立两套网格,其中建桥前计算区域共布置了3432个计算网格,1854个计算节点,网格最小边长约1.2m;建桥后计算区域共布置了3991个计算网格,2163个计算节点,网格最小边长约0.8m.河道地形采用规划梯形河床断面,河道底高程0.12m,边坡1∶3.水利计算模型采用变时间步长处理,最小时间步长0.001s,最大时间步长30.0s.

2.3 工程概化

目前对桩墩的模拟主要采用两种模式:(1)局部阻力修正法和(2)直接模拟法.局部阻力修正法对桩群所在网格的糙率(或切应力)进行修正并相应抬高网格高程,将桩墩作为过水区域处理,这种模式不必描述桩墩外形,可以加大计算网格尺度,缩短计算时间;直接模拟法则采用加密网格将每个墩体均作为陆域处理,所得流场较为真实可靠.本文将采用第二种处理方式,即对衡山河钻孔灌注桩基础概化成不过水且阻水面积相同的方桩,并在桩基附近对网格进行加密.

2.4 参数选定

(1)糙率系数.糙率系数反映了水流和床面相互作用过程中,床面边界粗糙程度,床面形态等因素对水流阻力的综合影响,影响到水力要素的计算精度,一般通过模型的率定和验证来确定,并参照一定的经验,本次计算取0.025.

(2)涡黏系数.紊动黏性系数对岸线变化急剧,有回流产生的岸段很重要, MIKE21模型既可以采用紊流模型也可以采用经验公式确定该参数.

根据Smagorinsky公式确定:

式中,u、v为x、y方向垂线平均流速;Δ为网格问距:Cs为计算参数,一般选0.25

2.5 计算条件 模型有上、下游两个边界条件.上游边界为流量Q等于185.6 m3/s,下游边界为规划水位4.82m.

2.6 计算结果分析

经过数学模型对附近河段流场进行模拟计算,分析比较建桥前后的流场变化,可以得出桥梁工程对附近流场影响.桥梁建成前后流场分别见图1和图2.

从图1可以看出,衡山桥新桥建桥前,区域河道流态主要受到沈海复线高速公路桥墩束水作用的影响,河道两岸以及桥墩中间的流速较大,且河道东侧的流速大于西侧流速,其中上游桥墩东侧最大流速为1.65m/s,西侧最大流速在1.46m/s左右,而桥墩中间的最大流速为1.60m/s.桥墩下游流速较小,普遍流速不足0.7m/s.


衡山桥新桥建桥后,如图2所示,区域河道流态将受到沈海复线高速公路桥墩及衡山桥新桥桥墩的共同影响,流态发生了较大变化,流速分布将从建桥前河道东侧流速大于西侧流速转变河道西侧较大.根据计算结果,桥址处河道东侧流速为1.62m/s,位于沈海复线高速公路桥墩东侧,相对于建桥前流速1.65m/s略小,变化不大;沈海复线高速公路桥墩中间流速1.59m/s,流速也基本不变;河道西侧最大流速为1.88m/s,位于衡山桥新桥西侧桥墩下游与河道右岸之间,流速增速0.42m/s.经过分析,该处流速增加较大,主要原因为桥梁桥墩边线与河道走向夹角较大,河道上游来水经过桥墩与河岸间的束水作用导致下游流速增加,建议对桥梁桥墩走向进行调整,桥墩与河道岸线应尽量平行,保证河道水流更为平顺,降低流速,同时,需做好桥墩及护岸的防冲设计.

建桥前后流速变化情况见表1.

图1 建桥前后流速成果表 单位:m/s

图1 建桥前流场分析图

图2 建桥后流场分析图

3.结论

本文利用MIKE21软件在拟建桥梁工程附近河段建立二维水动力数学模型,对桥梁工程建设前后附近河段的流场进行数值模拟.

根据数学模型计算成果,桥梁工程对附近河段流场有一定影响,工程建成后河道西岸局部流速增幅较大.建议调整桥梁墩位布置,并尽可能与岸线平行,同时应做好桥梁及护岸的防冲设计.

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