（交通信息工程及控制专业论文）武桥水道航道整治工程流场数值模拟试验研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 武桥水道位于长江中游武汉市主城区，上起汉阳杨泗庙，下至武汉长江大 桥，全长5 k m ，为一顺直狭窄水道。其上游为白沙洲水道，下至汉口水道。武 桥水道内的洲滩深槽包括白沙洲、潜洲、荒五里边滩、汉阳边潍和武昌深槽等， 碍航已久，此区域水流条件复杂，航行条件恶劣，多次发生船舶碰撞等安全事 故，也威胁着武汉长江大桥的安全。目前，主要的维护手段是疏浚和改行非通 航孔，严重时禁航施工，航道维护极其困难，但尚未对其实施航道整治工程。 随着国民经济的快速发展，武桥水道的航道现状已不能适应地方经济的发展需 求，也与长江水运黄金水道不相符，与“畅中游”矛盾，与长流干线航道整治规划 不相适应，因此，迫切需要实施武桥水道航道整治工程。 武桥水道地理位置特殊，周边环境复杂，包括武汉长江大桥、防洪、港口 以及其它涉水工程。其中，沿江两岸均由防洪大堤守护，右岸鲇鱼套附近为重 点险工段；港口主要有左岸杨泗庙集装箱码头、晴川阁码头以及右岸武昌轮渡 等，其它涉水工程主要包括白沙洲水厂取水头、平湖门水厂取水头和武船码头 等。武桥水道在航道整治工程前后水域流场发生变化，会影响到进出整治工程 水域船舶和过往船舶的安全通航，及周边涉水工程的正常作业，因此，对武桥水 道航道整治工程前后的流场进行模拟、分析就很有必要。 本文使用c a r d i n a l 模式，模拟分析了在枯水期、中枯水期和洪水期三种 水文条件下，武桥水道航道整治工程前、后水流流场的变化，即工程实施对该 水域流场的影响。本文对武桥水道航道整治工程水流流场的数值模拟分为二维 数值模拟和三维数值模拟两部分。在二维数值模拟部分中，模拟分析了在三种 水文条件下，工程前、工程后和工程下移3 0 0 m 三神情况下的流场状况，设置采 样点，分析其流速、流向的变化和流速等值线，并验证了其断面流速分布和断 面分流比；而在三维数值模拟中，模拟分析了在三种水文条件下，工程实旌后 的水流表层和底层的流场状态，并分析了相关采样点的流向、流速变化、垂直 分布和流速等值线。 武桥水道航道整治工程流场数值模拟试验研究，分析工程前后主流流场的 变化，可以为该水域船舶的安全航行、航路选择提供参考信息：分析工程前后 武汉长江大桥水域流场的变化，可以了解该工程对大桥通航环境的影响；分析 工程前后缓流区的面积大小，可以了解工程前后该水域的冲淤变化，为航道疏 浚提供参考信息；流场数值模拟结果，可以为船舶操纵模拟试验提供精确的流 场信息，提高其模拟精度。 关键词：武桥水道，c a r d i n a l ，数值模拟，流场 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w u q i a ow a t e r w a yr u n st h r o u g hw u h a nc i t y , w h i c hl i e si nt h em i d d l er e a c ho f t h ec h a n g j i a n gr i v e r , b e g i n sa t y a n g s i m i a o i n h a n y a n ga n de n d sa tw u h a n ， c h a n g i i a n gr i v e rb r i d g e ，a n di ti sa n a r r o ws t r a i g h tw a t e r w a yw h o s eo v e r a l ll e n g t hi s 5 k m t h e r ei sb a i s h a z h o uw a t e r w a yi nt h eu p p e rr e a c ha n dh a n k o uw a t e r w a yi nt h e l o w e rr e a c h t h e r ea r eb a i s h a z h o us h o a l ，q i a n z h o us h o a l ，h u a n g w u l is i d es h o a l ， h a n y a n gs i d es h o a la n dw u c h a n gd e e pp o o li nw u q i a ow a t e r w a y , s ot h ew a t e rf l o w t h e r ei sv e r yc o m p l i c a t e da n dt h en a v i g a t i o nc o n d i t i o nb a d ，w h i c hl e a d st om a n y s a f e t ya c c i d e n t sa sc o l l i s i o na n dt h r e a t e n st h es a f e t yo fw u h a nc h a n g j i a n gr i v e r b r i d g e 1 h e c u r r e n tm a i n t e n a n c em e t h o d sa r e d r e d g i n g a n d c h a n g i n g f o r n o n - n a v i g a b l es p a n s a sw e l la s b a n n i n gn a v i g a t i o n f o rc o n s t r u c t i o nw h e nt h e n a v i g a t i o no b s t r u c t i o nb e c o m e st o os e r i o u s ，s 0i t i sv e r yd i f f i c u l tt om a i n t a i nt h e w a t e r w a y , b u tn ow a t e r w a yr e g u l a t i o ne n g i n e e r i n gi sc a r r i e do u ty e t w i t l lt h er a p i d d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , t h ew a t e r w a yc o n d i t i o no fw u q i a ow a t e r w a y d o e s n tm e e tt h e d e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t so fl o c a le c o n o m y , d o e s n tf i tt h e r e p u t a t i o n g o l d e nw a t e r w a y f o rw a t e rt r a n s p o r t a t i o ni nc h a n g j i a n gr i v e r , d o e s n t a g r e ew i t ht h ep l a nt om a k et h em i d d l er e a c ho fc h a n g j i a n gr i v e rf r e ea n ds m o o t h a n dd o e s n ts u i t 、析t 1 1t h ew a t e r w a yr e g u l a t i o np r o g r a mf o rc h a n g j i a n gr i v e r sm a i n l i n e w u q i a ow a t e r w a yl o c a t e si np a r t i c u l a rp o s i t i o n ，a r o u l l dw h i c ht h e r ea r em a n y c o m p l i c a t e dw a t e rw o r k si n c l u d i n gw u h a nc h a n g ji a n gr i v e rb i r d g ef l o o dp r o t e c t i o n w o r k s ，p o r t s ，e t c b o t ht h eb a n k sa l o n gt h ec h a n g j i a n gr i v e ra r ep r o t e c t e db yl e v e e s ， a n dt h es e c t i o nn e a rn i a n y u t a oo nt h er i g h tb a n ki st h em a j o rd a n g e r o u ss e c t i o no f c o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g t h ep o r t si n c l u d e y a n g s i m i a oc o n t a i n e rt e r m i n a la n d q i n g c h u a n g ep i e ro nt h el e f tb a n ka n dw u c h a n gf e r r yt e r m i n a lo nt h er i g h tb a n k o t h e r w a t e rw o r k si n c l u d em eh e a d w a t e r so fb a i s h a z h o uw a t e rp l a n ta n dp i n g h u m e n w a t e rp l a n ta n dw u c h a n gs h i p y a r d t h ec h a n g e so fw a t e rf l o wf i e l d i nw u q i a o w a t e r w a yb e f o r ea n da f t e rt h ew a t e r w a yr e g u l a t i o ne n g i n e e r i n gw i l la f r e c tt h es a f e n a v i g a t i o no fv e s s e l se n t e r i n ga n dl e a v i n go rp a s s i n gt h r o u g ht h ew a t e r w a 5a n dt h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 n o r m a lf u n c t i o no fs u r r o u n d i n gw a t e rw o r k s ，s oi ti sq u i t en e c e s s a r yt os i m u l a t ea n d a n a l y z et h ef l o wf i e l di nw u q i a ow a t e r w a yb e f o r ea n da f t e rt h ew a t e r w a yr e g u l a t i o n e n g i n e e r i n g t h em o d e lc a r d i n a li sa d o p t e d ，a n dt h ed i f f e r e n c e so fw a t e rf l o wf i e l d b e f o r ea n da f t e rt h ew a t e r w a yr e g u l a t i o n e n g i n e e r i n gi nw u q i a ow a t e r w a yu n d e r t h r e ed i f f e r e n th y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n s ( d r yp e r i o d ，m e d i a nw a t e rp e r i o da n df l o o d p e r i o d ) a r es i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h i sp a p e r t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw a t e r f l o wf i e l df o rw a t e r w a yr e g u l a t i o ne n g i n e e r i n go fw u q i a ow a t e r w a yi nt h i sp a p e ri s d i v i d e di n t o2 - d i m e n s i o n a la n d3 - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n i nt h ep a r to f2 - d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h ef l o wf i e l d so ft h ew a t e r w a yu n d e rt h r e ee n g i n e e r i n g c o n d i t i o n s ( p r e - e n g i n e e r i n g ，p o s t - e n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n gm o v i n gd o w n3 0 0 m ) w h i l eu n d e rt h r e eh y d r o l o g i c a lc i r c u m s t a n c e sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ，a n ds o m e s a m p l ep o i n t sa r es e tt oa n a l y z et h ec h a n g e so ff l o wd i r e c t i o na n dv e l o c i t ya n d v e l o c i t yi s o l i n e s ，a n da l s ot h ec r o s s s e c t i o nv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n sa n ds p l i tr a t i oa r e v e r i f i e d ；a n di nt h ep a r to f3 一dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h ef l o wf i e l d so ft h es u r f a c e l a y e ra n db o t t o ml a y e ra f t e rt h ee n g i n e e r i n gu n d e rt h r e eh y d r o l o g i c a lc i r c u m s t a n c e s a r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ，a n da l s ot h ec h a n g e so ff l o wd i r e c t i o na n dv e l o c i t y , v e l o c i t yi s o l i n e sa n dv e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fr e l a t e ds a m p l ep o i n t sa r ea n a l y z e d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho f f l o wf i e l df o rw a t e r w a yr e g u l a t i o n e n g i n e e r i n gi nw u q i a ow a t e r w a yc a no f f e rr e f e r e n c ei n f o r m a t i o nf o rs a f en a v i g a t i o n a n dc o u r s es e l e c t i o no fv e s s e l sp a s s i n gt h i sa r e at h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a n g e so f f l o wf i e l do fm a i n s t r e a mb e f o r ea n da f t e rt h ee n g i n e e r i n g ，c a nm a k eu sc l e a ra b o u t t h ei m p a c to ft h ee n g i n e e r i n go nt h en a v i g a t i o ne n v i r o n m e n to fw u h a nc h a n g j i a n g b r i d g et h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a n g e so ff l o wf i e l di nt h i sa r e ab e f o r ea n da f t e rt h e e n g i n e e r i n g ，c a nm a k eu sc l e a ra b o u tt h es i l t i n gc o n d i t i o no ft h i sa r e ab e f o r ea n da f t e r t h ee n g i n e e r i n ga n dg i v er e f e r e n c ei n f o r m a t i o nf o rd r e d g i n gi nt h i sw a t e r w a yt h r o u g h a n a l y z i n gt h es i z eo fs l a c kw a t e ra r e a ( i e d r y i n gu pa r e ad u r i n gc o m p u t a t i o n ) ，c a n o f f e rm o r ea c c u r a t ef l o wf i e l di n f o r m a t i o nf o rs h i pm a n e u v e r i n gs i m u l a t i o ni nt h i s w a t e r w a yt oi n c r e a s ei t ss i m u l a t i o np r e c i s i o n k e yw o r d s ：w u q i a ow a t e r w a y , c a r d i n a l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l o wf i e l d i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：兰韭日期：土印籼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：盔! 叁蔓导师( 签日期 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的及意义 武桥水道位于长江中游武汉市主城区，上起汉阳杨泗庙，下至武汉长江大 桥，全长5 k m ，为一顺直狭窄水道。武桥水道自上个世纪6 0 年代开始碍航，其 航道现状已不能适应地方经济的发展需求，也与长江水运黄金水道的美誉不相 符，与“畅中游”矛盾，与长江干线航道整治规划不相适应，为实现长江干线航道 发展规划目标，确保长江航运安全畅通及武汉长江大桥的安全，满足建设长江 水运主通道、发展流域经济的需要，需进行武桥水道航道整治工程。 本论文是在导师长江中游武桥水道航道整治工程通航方案设计与论证 项目基础之上得以完成的。本论文使用c a r d i n a l 模式，通过对长江中游武桥 水道航道整治工程前、后的流场进行数值模拟，对比工程前后流场的变化，可 以分析航道整治工程前、后武桥水道主流流场变化、武汉长江大桥通航环境改 变及汉阳边滩周围流场的变化等，具有以下四个方面的现实意义： 1 ) 分析工程前后主流流场的变化，可以为该水域船舶的安全航行、航路选 择提供参考信息； 2 ) 分析工程前后武汉长江大桥水域流场的变化，可以了解该工程对武汉长 江大桥通航环境的影响； 3 ) 分析工程前后流区的面积( 计算干出区域面积) 大小，可以了解工程前 后该水域的冲淤变化，为航道疏浚提供参考信息； 4 ) 模拟计算输出的流场结果，可以为船舶操纵模拟试验提供精确的流场信 息，提高其模拟精度。 1 2 水动力数值模拟国内外研究现状 1 2 1 水动力数值模拟研究概述 水动力数值模拟是海岸工程、水运工程和环境工程中重要的模拟方法，它 随着近代电子计算机和数值计算方法的发展而不断发展。以前，由于受到当时 计算工具的限制，数值模拟仅限于一些简单的状况，且精度较差，工作量较大， 武汉理工大学硕士学位论文 因此，未能得到普遍推广。2 0 世纪7 0 年代以来，随着电子计算机的普及及其性 能的不断提高，这些困难已逐步克服，数值模拟的优越性逐渐突出。数值模拟 投资少、运行周期短且效率高，具有通用性，重复模拟时具有理想的抗干扰性， 可严格控制并可方便修改边界条件及其他条件，同时具有模拟现实条件和理想 条件的能力，因而日益成为研究水流、泥沙等运动规律的一个强有力的手段， 深受人们的欢迎。 根据电子计算机在水动力学科中的应用情况，水动力数值模拟主要经历了3 个发展阶段【l j 【2 j 【3 j ：1 、数值计算阶段。其特点是利用电子计算机对水动力学公式 或方程直接求解，解决了工程技术人员用一般计算工具难以解决的问题。因其 操作简单、方法实用，受到了工程技术人员的欢迎，但它的计算能力有着很大 的局限性。2 、数值模拟低级阶段，即单因素模拟阶段。其特点为采用离散方法 将整个计算水域剖分为若干单元，然后利用各种数值计算方法( 如有限差分法、 有限元法等) 在单元节点上求解描述水动力学现象的微分方程。在该阶段中，研 究、分析微分方程的离散方法和求解方法，数值格式的相容性、稳定性和收敛 性等问题。3 、数值模拟高级阶段，即多因素过程模拟阶段。本阶段以系统化、 实用化为标志，使多因素影响下的复杂水动力现象实现过程模拟，并引入人工 智能和专家系统，达到数值模拟的自动化。在这个阶段，还采用水动力模型与 物理模型有机地结合的复合模型，大大地开拓了模型的应用范围另外，模拟过 程和模拟结果的可视化仿真显示，也是本阶段水动力数值模拟的重大进展 经过近二、三十年的发展，水动力数学模型经历了由一维n - 维，到一、 二维嵌套，到三维及二0 三维嵌套的发展过程，也由概化水文、泥沙及河床条 件后建立、率定和验证数学模型，发展到与物理模型相配合共同解决工程水流、 泥沙问题的发展阶段。现在水动力数学模型已经在库区、河流及河口海岸等水 体的水沙问题研究中得到了广泛应用，并发挥出不可替代的优势，其应用范围 正在进一步拓展，解决问题的深度也在进一步加深。下面简要介绍一下一维、 二维及三维水动力数学模型： 1 ) 一维水动力数学模型 一维水动力数学模型研究的是变量在断面上的平均值，基本上能够满足工 程工作的需要，它是至今使用最广泛的一种模型。一维模型在理论及实践上都 成熟，模型计算省时，适用于计算区域狭窄，沿流向方向的尺度远大于其它两 方向尺度的水动力研究，在国内外使用较为普遍1 4 】。但是，一维数学模型无法给 2 武汉理工大学硕士学位论文 出各因素在断面上的分布，因而在模拟河床底部变形、河口和港湾等水域的流 动和冲淤问题时，必须用平面二维，甚至三维数学模型才能解决【5 】。 2 ) 二维水动力数学模型 二维数学模型克服了一维数学模型不能计算水流、泥沙等因素沿河宽( 或水 深1 ) 方向变化的缺点，因而发展较快，目前在工程中得到了较为广泛的应用，正 逐步走向成熟。h a n s o n w 最早用二维数学模型研究了河口、海岸潮流泥沙运动。 1 9 6 7 年美国l e e d e r t s e 首次应用交替方向隐式差分格式模拟二维潮汐潮流，并很 快得到推广。后来苏联y a n e n k o 等人提出了分裂法，将控制方程组按空间坐标 分裂或按物理机制分裂【6 】。目前，用于二维水动力数学模型的数值解法就划分标 准的不同，可以大体分类如下：从离散方法上分，有差分法、有限元法和有限体积法； 从适应物理域的复杂几何形状上分，有贴体坐标变换及6 坐标变换；从时间积分上 分，有显式、隐式、半隐格式；从求解方法上分，有a d i 法、迭代法、多重网格法 以及并行计算技术；从干湿、露滩动边界的处理上分，有固定网格和动态网格技术； 从悬沙输运重力沉降项的处理上分，有源项化和对流化的做法1 7 j 。 二维数学模型分平面二维数学模型和垂向二维数学模型两种。对于海岸、 河口、湖泊、大型水库、内河等广阔水域，水平尺度远大于垂向尺度，水力参 数( 如流速、水深等) 在垂直方向的变化要小于水平方向上的变化，可用沿水 深的平均量表示，因而可采用平面二维数学模型模拟。平面二维水动力数学模 型在生产上得到了广泛的应用，能够较好地模拟水流结构和泥沙运动在平面上 的分布规律，与物理模型耦合运用，相互印证，相互提供边界，取得了较好的 模拟效果；而在窄深潮汐通道、窄深河口地区，有关变量( 如流速、温度、含 盐量、含沙量等) 的垂向变化不可忽视，这时往往要采用垂向二维数学模型1 7 j 。 3 ) 三维水动力数学模型 实际工程中的水流泥沙运动都具有三维性，尤其是泥沙沿垂线的不均匀分 布，只有建立三维水动力数学模型才能满足工程需求。在宽阔且较深的海岸河 口地区，研究潮流运动、海岸演变及泥沙运动时，通常的二维数学模型不能满 足实际要求。此外，像疏浚抛泥、油膜运动、水质污染扩散等一些专门研究， 也需要采用三维数值模拟技术嗍。 但是，三维水动力数学模型的发展缓慢，主要原因有：1 ) 三维水动力数学模 型的结构繁杂，网格节点多，计算工作量大，因此费时较长。经验表明：局部小 范围应用尚可，在大水体计算中应用，将大大增加复杂程度和计算工作量；2 ) 3 武汉理工大学硕士学位论文 对泥沙运动基本规律的认识仍不成熟，有许多问题尚未完全解决；3 ) 一、二维数 学模型的研究相对比较成熟，在实际工程中得到了普遍应用，基本能够解决一 般实际工程问题。 1 2 2 国外水动力数值模拟现状及数值模式介绍 近年来，国外出现了许多以水流、泥沙、水质等因素为模拟对象的集成软 件，应用比较广泛的有：荷兰的d e l f t 3 d 、美国的s m s 和e f d c 、丹麦的d h i 系列软件、加拿大的d a l c o a s t 、英国的w a u i n g f o r d 等，下面分别简要介绍： 1 ) d e l f t 3 d d e l r 3 d 是荷兰水工研究所推出的模拟系统，可以模拟水动力、波浪、水质、 泥沙输移、地形演变、水质颗粒追踪、生态等，适用于河流及河口海岸地区， 可模拟2 维或3 维的非恒定水流运动以及泥沙输移。d e l r 3 d 提供了直角坐标、 柱面坐标、正交曲线坐标系，在g r i d 模块提供网格生成功能【9 】。在计算模块中， 7 采用交错网格布置变量，数值离散基于有限差分法，基本方程的求解采用a d i 法。在可视化的处理方面，实现了计算过程的模拟显示并提供了后处理模块g p p ( p o s t p r o c e s s i n g ) ，通用性和系统性比较好d o 。d e l f t 3 d 从上世纪8 0 年代开始在 国内得到应用，主要应用于水流、水质、风暴潮等方面的模拟，取得了较好的 效果。 2 ) s m s s m s 是s u r f a c e w a t e rm o d e l i n gs y s t e m 的缩写，由美国b r i g h 锄y o u n g u n i v e r s i t y 等联合研制。该软件提供了一维、二维、三维的有限元和有限差分数 值模型。可用于河道水沙数值模拟及径流、潮流、波浪共同作用下的河口和海 岸的水沙数值模拟，在计算自由表面流动方面具有强大的功能【l l j 。s m s 软件包 包括t a b s m s ( g f g e n ，r m a 2 ，r m a 4 ，r m a l 0 ，s e d 2 d - w e s ) ，a d c i r c ， c g w a v e ，s t w a v e ，h i h e l 等计算模块，用户可以根据实际情况选择不同的 计算程序【1 2 1 。 国内应用较多的为r m a 2 软件包。它有强大的前后处理功能，能自动生成 非结构计算网格，辨别网格的质量及进行单元格质量的调整：能进行流场动态 演示及动画制作、计算断面流量、实测与计算过程的验证、不同方案的比较等。 但r m a 2 属大范围平面二维数学模型，不适用于近区三维问题或急流等流动。 国内在长江口及杭州湾潮流数值模拟中应用过该系绀1 3 l 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) e f d c e f d c ( e n v i r o n m e n t a lf l u i dd y n a m i cc o d e ) 是在美国国家环保署资助下，由维 吉尼亚海洋研究所( v i m s ，v i r g i n i ai n s t i t u t eo fm a r i n es c i e n c ea tt h ec o l l e g eo f w i l l i a ma n dm a r y ) 的j o h nh a m r i c k 等根据多个数学模型集成开发研制的综合模 型，被用于模拟水系统一维、二维和三维流场、物质输运( 包括温度、盐度和 泥沙的输运) 、生态过程以及淡水入流等【1 4 】 1 5 1 。e f d c 自1 9 9 2 年发布以来，不 断更新完善，随着e f d c e x p l o r e r 等前后处理工具的出现，e f d c 得到了更加广 泛的应用。 4 ) d h i 系列软件 d h i ( 丹麦水力研究所) 推出了一系列的数值模拟软件，涉及与水有关的许 多方面：包括降雨径流、河流模拟、海岸、河口工程，以及环境等。d h i 的数 学模型主要包括以下几种【1 6 1 ： m i k ef l o o d ：一维、二维动态耦合的洪水模块。 m i k e l l ：用于河流、管道及灌溉系统的一维水流模拟，包括降雨径流模型、 水动力学模型、对流扩散及粘性输沙模型、水质模型、单位线模型、洪水实时 预报模型、地理信息系统等【1 。7 1 。 m i k e 2 1 ：用于模拟河流、湖泊、海湾、海岸、海洋中的水流、波浪、泥沙 及生态等，提供比较友好的界面，包含了大范围的支持软件用于数据准备、结 果分析及图标演示等【1 8 】。 m i k e 3 ：三维水流模型，由水动力模型、紊流模型和泥沙输移模型三个模 块组成，主要用于自由表面水体的水动力计算，适合于模拟河流、湖泊、河口、 海岸等水体的水流、水质和泥沙输移。 d h i 系列软件也是基于有限差分法，基本方程求解用a d i 法，采用交错网 格离散。该系列软件界面友好，具有强大的前、后处理功能。在前处理方面， 能根据地形资料进行计算网格的划分，在后处理方面具有强大的分析功能，如 流场动态演示及动画制作、计算断面流量、实测与计算过程的验证、不同方案 的比较等。目前国内比较熟知和应用广泛的是m i k e l l 和m i k e 2 1 。主要被应用 于水动力计算、防洪预报、水质等领域。 5 ) d a l c o a s t 河口海岸预报系统 d a l c o a s t ( d a l h o u s i ec o a s t a lo c e a np r e d i c t i o ns y s t e m ) 河口海岸预报系 统，由加拿大达尔豪斯大学海洋系研制而成。适用于沿海风暴潮以及三维流场 5 武汉理工大学硕士学位论文 的数值模拟和预测预报，可以提供风暴潮、三维流场以及三维温度和盐度场的 2 4 小时后报和4 8 小时预报。主要特点包括：采用二元嵌套模式，由低分辨率的 元系统和高分辨率的子系统组成；有一套完整的输入资料和输出数据的可视化 处理；采用了“季节性轻推( s e a s o n a ln u d g i n g ) ”方法，以减少数值模型的漂移；适 合系统的二次开发与应用，可为河口水沙运动和对工程影响评估系统、风暴潮 灾害评估系统的进一步开发，提供海洋动力和边界条件【l9 1 。目前已用于加拿大 大西洋海域的风暴潮和三维流场的预测预报。 6 ) w a l l i n g f o r d 系列软件 英国的w a l l i n g f o r d 软件公司也推出了一系列河流、海岸、废水、供水系统 等软件产品。其中河流系统软件主要包括1 2 0 j ： i n f ow o r k sr s ：集成的河流网络模型系统，可模拟流域降雨径流、产汇流、 河网水量水质及泥沙【2 1 1 2 2 1 。 f l o o dw o r k s ：为河流、泛洪区、潮汐及水资源调度提供实时预报模拟的通 用的、模块化的决策支持系统，是可与实时数据采集系统结合的实时水文、水 动力和水质模型平刽2 1 j 。 i s i s ：模拟河流及其流域降雨径流的软件工具。 另外还有一些优秀的c f d 软件，如a n s y s 、s t a r c d 、f l u e n t 、c f x 、p h o e n i c s 等，提供了较好的模拟环境，但主要集中在流体计算方面，此处不再详细介绍。 国外在系统集成方面的研究起步较早，已形成比较完善的商业软件，并得 到了推广应用。从各软件在国内的使用情况来看，各软件的应用范围主要还是 集中在水流、水质、风暴潮等领域，在泥沙运动方面还鲜见卓有成效的应用。 1 2 3 国内水动力数值模拟现状 国内水动力数值模拟虽然起步较晚，但进展较快，一些研究成果已成功应 用于一些重要的水利工程。尤其是进入本世纪后，每年都有新的研究成果出现， 在数值模拟集成系统方面，近年来也研究、发明了一些集成化系统，主要的研 究方法集中在高级语言编程、组件技术、g i s 集成等，但开发具有我国特色并能 与国外同类型软件竞争的商业性集成软件还任重道远。 河海大学、南京水利科学研究院等单位用拟合坐标生成了正交曲线网格， 运用“露滩冻结”技术解决动边界问题，考虑了床沙级配的分层记忆和床沙质和冲 泻质的划分，通过分组解决非均匀沙的挟沙能力表达式，建立了全沙数学模型， 6 武汉理工大学硕士学位论文 较好地模拟了内河恒定流和潮汐河口非恒定流输沙过程以及河床的冲淤变化 1 2 3 1 ；赖锡军等采用四点加权隐式计算一维潮流，利用有限体积法求解二维潮流， 建立一、二维藕合的潮流数值模型，实现了由一维计算区域向二维区域的准确 过渡，并用上海市淀海南片河网对该模型进行了验证；刘子龙、王船海等利用 破开算子法对长江口三维潮流过程进行了有效的模拟【2 4 1 ；马启南、陈永平利用 一个基于变换和内外模式分裂技术，建立了杭州湾的三维潮流数值模型【2 习；窦 希萍、李堤来在正交曲线坐标系下，采用坐标变换、有限差分、交替隐式求解、 动边界处理等方法，建立了边界拟合网格的三维潮流数学模型；华祖林采用拟合 曲线网格系统模拟天然河道边界，在此基础上建立了弯道河段潮流三维数值模 型，并针对弯曲河段可能引起的回流及环流，引入紊流模型进行精细模拟【7 j ；朱 松林等( 1 9 9 6 ) 将流体力学计算技术和可视化技术有机地结合起来，开发了用 于三维复杂区域流场数值模拟的驾驭式可视化软件，提出了计算过程可视化的 概念，并实现了在不终止计算的情况下对计算过程进行控制的驾驭式可视化功 制2 6 】；叶清华( 2 0 0 1 ) 将组件技术应用于海岸工程数学模型，建立了以平面二 维潮流数学模型计算组件为核心，以g i s 组件为可视化环境，后台以关系数据 库支持的紧密集成的海岸工程数学模型系统；周振红等( 2 0 0 2 ) 将f o r t r a n 计算 程序做成动态链接库，采用组件化编程的方式解决数据传输与控制的问题，建 立了基于组件的水力数值模拟可视化系统【2 1 刀；方春明等( 2 0 0 3 ) 建立了可视化 河网一维恒定水流泥沙数学模型，实现了对绘制的河网中各河段间关系的自动 判读和求解流程的自动生成：张细兵等( 2 0 0 3 ) 采用f o r t r a n 和v b 、v c 语 言混合编程技术，研制了平面二维可视化数学模型及动态演示系统，实现了计 算全过程的可视化及2 d 、3 d 图形显示和动态演示；张尚弘( 2 0 0 4 ) 采用v c + + 平台集成，后台数学模型由f o r t r a n 语言编写，两者之间运用管道传输与事件触 发机制实现数据传输，在p c 机上实现了数模计算与虚拟仿真相结合的实时交互 功能嗍；王铃铃等( 2 0 0 4 ) 研制了三峡工程永久船闸输水系统水力特性数值实验 室，采用了多种计算及图形软件如f o r t r a n 、c 、l i s t 、a u t o c a d 、v b 、v c 、3 d m a x 等，完成了数值计算、数模成果同步演示j 动画制作、界面设置等工作；尹海 龙、徐祖信( 2 0 0 5 ) 采用可视化编程工具v i s u a lb a s i c 和m a p x 控件，用水环境 数学模型和g i s 集成的方式设计开发了中文可视化用户界面下的黄浦江水环境 数学模型。天津水利科学研究所开发的t k 2 d ( 2 0 0 5 ) 是适用于海岸河口地区 的多功能数学模型软件包，分成主模块和辅助模块两个部分，主模块包括五个 子模块，即“五场”：波浪场数学模型软件、潮流场数学模型软件、盐度场数学模 7 武汉理工大学硕士学位论文 型软件、悬沙场数学模型软件和地形冲淤场数学模型软件，辅助模块包括前处 理软件、后处理软件和动态显示制作软件1 2 剐；左利钦( 2 0 0 6 ) 研究开发了计算 模块与可视化系统的集成技术，包括计算模块以f o r t r a n 生成动态链接库( d l l ) 的形式集成到系统中、与a u t o c a d 的友好连接、多线程编程等，进行了水沙数 值模拟集成软件的开发与应用；潘存鸿等( 2 0 0 7 ) 基于d e l p h i 开发了钱塘江涌 潮模拟系统z i h e 2 d t 2 9 1 ；罗小峰( 2 0 0 6 ) 针对以往国内系统集成性不高的缺点， 在v c + + 环境下开发了一套适用于大型河口和复杂海岸的数值模拟可视化系统 c j k 3 d ，系统将建模、计算与后处理有机地集成为一个整体，集成了平面二维 水流、盐度、泥沙模型和三维水流盐度模型，可视化程度较高，实现了从建模、 计算到后处理的全程可视化，系统中的平面二维水流、盐度、泥沙模型采用改进 的a d i 法，三维水流盐度模型采用改进的p o m ( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) 模式【1 1 n 。 1 3 本论文所要解决的关键问题 1 ) 使用c a r d i n a l 模式，对武桥水道航道整治工程水域流场进行数值模 拟，包括枯水期、中枯水期和洪水期三种水文情况下的流场二维或三维数值模拟。 2 ) 对1 ) 中流场数值模拟的结果进行分析、评价 1 4 本论文的组织结构 第l 章绪论：主要介绍本论文研究的目的、意义及国内外研究现状。 第2 章武桥水道航道整治工程概况：主要介绍武桥水道概况、武桥水道航 道整治工程概况。 第3 章水动力数值模式框架，主要介绍c a r d i n a l 模式的控制方程、网格 构建及一些主要的模式模块。 第4 章武桥水道航道整治工程水域流场数值模拟：主要介绍枯水期、中枯 水期和洪水期三种水文条件下，航道整治工程水域流场的二维及三维数值模拟 并对二维的断面流速分布及断面分流比进行验证。 第5 章航道整治工程水域流场数值模拟结果验证、分析：主要是对二维及 三维数值模拟的结果进行对比、分析。 第6 章总论与展望：对整个论文进行了全面的总结和分析，论述本论文的主 要研究工作和有待解决的问题，并对进一步的研究方向作了展望。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章武桥水道航道整治工程概况 2 1 武桥水道概况 武桥水道位于长江中游武汉市主城区，上起汉阳杨泗庙，下止武汉长江大 桥，全长约5 k m ，为一顺直狭窄型水道( 图2 1 ) 。该水道枯水航道维护尺度为 3 2 m 8 0 m x 7 5 0 m ( 航深航宽弯曲半径) ，通航1 5 0 0 吨级甲板驳、分节驳和3 0 0 0 吨级油驳l 弼l 。 该水道上游左岸有荒五里边滩，右侧有白沙洲将河段分为左右两汊，左汊 为通航主汊，白沙洲大桥( 简称三桥) 于1 9 9 7 年兴建。水道内左岸有汉阳边滩， 右侧有潜洲( 高程较低，枯季一般不出露) ，武昌深槽呈“倒套”型延伸至右岸鲇 鱼套附近。该水道进口河宽约2 0 0 0 m ，出口因龟山、蛇山节点控制河宽缩窄至 ll o o m 左右。1 9 5 7 年建成的武汉长江大桥位于龟山和蛇山节点处，大桥下游左 岸约1 5 k m 处有汉江入汇。 2 1 1 白沙洲水道 图2 - 1 武桥水道河势图 工程水域上游为白沙洲水道。白沙洲水道为武汉港上段，是一顺直分叉形 水道，江中白沙洲滩头已和右岸相连