于凱本,楊 濤,高 健,林廣義,孟慶健,宗 樂
(1.國家深?;毓芾碇行?,山東 青島 266200;2.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266100)
基于Flow-3D的抗拖網(wǎng)海床基沖刷數(shù)值模擬
于凱本1,楊 濤2,高 健2,林廣義2,孟慶健1,宗 樂1
(1.國家深?;毓芾碇行?,山東 青島 266200;2.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266100)
基于Flow-3D軟件,建立抗拖網(wǎng)海床基沙土基床沖刷的三維數(shù)學(xué)模型,控制水流流速和泥沙粒徑,對(duì)不同條件下抗拖網(wǎng)海床基周圍沙土基床的沖刷進(jìn)行數(shù)值模擬,并分析了抗拖網(wǎng)海床基最大沖刷深度隨這兩種因素改變的趨勢。結(jié)果表明,抗拖網(wǎng)海床基沙土基床沖刷坑深度隨海流流速增大而增加,在設(shè)定其他條件不改變的情況下,沖刷坑的加深速度隨著流速增大會(huì)逐漸減緩,最終達(dá)到?jīng)_淤平衡。同時(shí),由于海底環(huán)境復(fù)雜多變,導(dǎo)致模型與實(shí)際情況有一定的差異,還需在后續(xù)的研究中進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。
抗拖網(wǎng)海床基;泥沙沖刷;數(shù)值模擬
海床基作為一種坐底式海洋監(jiān)測裝置,一般布放于海洋沿岸、近海潛岸以及河口等區(qū)域,對(duì)懸浮泥沙參數(shù)、流速剖面、水溫、潮汐及波浪等水流動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行長期、連續(xù)跟蹤監(jiān)測。由于布放區(qū)域是污染物、泥沙以及水流最大的區(qū)域,作為坐底長期環(huán)境監(jiān)測設(shè)備在大濃度泥沙水域極易被泥沙覆蓋,高的水流速度易使海床基平臺(tái)底部海底沉積物被掏空導(dǎo)致平臺(tái)傾斜倒塌。海床基的覆蓋和倒塌會(huì)降低海床基的回收效率,降低了海床基搭載設(shè)備的安全性和可靠性,增加海床基的應(yīng)用制造成本,導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此,海床基坐底狀態(tài)下周圍沙土基床沖刷機(jī)理的研究對(duì)于提高海床基的回收安全性及對(duì)海床基外形優(yōu)化具有重要作用。
本文運(yùn)用美國Flow science公司開發(fā)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件Flow-3D中FAVOR技巧以及有關(guān)自由液面的VOF方法對(duì)海床基處于不同流速和不同泥沙粒徑的沖刷機(jī)理進(jìn)行了仿真模擬。以期為海床基的布放及整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考。
針對(duì)本文擬計(jì)算算例,所建立的數(shù)值水池需模擬三維海床面上抗拖網(wǎng)海床基周圍泥沙在單向海流作用下的沖刷情況,即海流繞過抗拖網(wǎng)海床基與海床之間的相互作用。本文采用RNGk-ε模型進(jìn)行求解。RNGk-ε模型對(duì)湍動(dòng)粘度進(jìn)行修正,考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)情況,可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)。
RNGk-ε模型具體表示如下[2]:
(1)
(2)
式中:xi為i方向坐標(biāo),t為時(shí)間(s),ρ和u分別代表流體的密度(kg/m3)和速度(m/s),gi為重力加速度(m/s2)。其中雷諾平均應(yīng)力定義為:
(3)
RNGk-ε湍流模型中的k方程和ε方程分別表示為:
(4)
(5)
其中:
Flow-3D可以通過泥沙沖刷模塊對(duì)流體中泥沙運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行分析。泥沙沖刷模塊是通過模擬在水流作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)來預(yù)測泥沙侵蝕、平流擴(kuò)散和沉積。該模塊的主要應(yīng)用有:(1)計(jì)算懸移質(zhì)泥沙在平流水流中的擴(kuò)散輸移問題;(2)計(jì)算由于重力作用而產(chǎn)生的泥沙沉降問題;(3)計(jì)算由于剪切和水流擾動(dòng)而挾帶的泥沙問題;(4)計(jì)算由于泥沙顆粒隨著河床滾動(dòng)或者跳動(dòng)而引起的推移質(zhì)泥沙輸移問題。
該模型的建立部分假定泥沙顆粒為球形并且他們的速度要小(從而使各個(gè)泥沙顆粒周圍的流體以粘性效應(yīng)占主導(dǎo)地位)。沉淀(漂移)系數(shù)Df通過式(6)自動(dòng)計(jì)算:
(6)
式中:SCRDIA是平均粒徑,RHOF是流體密度。沖刷的“起動(dòng)”組件是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,該模型是以推移質(zhì)輸沙模型為基礎(chǔ)。在填充層的界面計(jì)算出的“起動(dòng)”速度是:
(7)
τc=SCRCRT×SCRDIA×g×(SCRRHO-RHOF)
(8)
式中:g為重力加速度;SCRRHO代表沉淀顆粒的密度,泥沙的典型密度值是2.65 g/cm3。
當(dāng)沉積物含量大于等于沉積物臨界含量 (SCRFCR),沉積物即被認(rèn)為已經(jīng)堆積,堆積密度等于SCRFCR×SCRRHO。因此,在含沙量(CGS,單位為g/cm3)等于或大于SCRFCR×SCRRHO的地方有沉積物淤積,流體不會(huì)發(fā)生流動(dòng),施加在液體上的拖曳力被假定為無窮大(逆液拖曳數(shù)量,由Flow-3D計(jì)算的阻力系數(shù)為零)。在沉積物的體積分?jǐn)?shù)大于沉積物聚集含量(SCRFCO),但小于SCRFCR的區(qū)域,拖動(dòng)模型被激活;沉積物拖動(dòng)(SCRDRG)在這個(gè)模型中,相當(dāng)于TSDRG(默認(rèn)值是1.0)。當(dāng)沉積物的體積分?jǐn)?shù)小于SCRFCO,拖動(dòng)模型沒有被激活,但根據(jù)式(9)粘度會(huì)增強(qiáng):
(9)
式中:μ0是流體的粘度,μ是由于沉積物的存在引起的粘度增強(qiáng)。
3.1 沖刷模型
本文對(duì)單向流作用下抗拖網(wǎng)海床基沙土基床沖刷進(jìn)行數(shù)值模擬分析,在Flow-3D軟件中建立與物理試驗(yàn)?zāi)P拖嗤娜S數(shù)值模型進(jìn)行模擬,通過對(duì)模擬結(jié)果分析,以驗(yàn)證沖刷模型條件參數(shù)及邊界條件的可靠性。
抗拖網(wǎng)海床基模型圓臺(tái)形底面直徑φ=1.8 m,整體高度h=0.628 m。
泥沙顆粒粒徑是仿真模擬的重要組成部分,粒徑的選取對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有較大的影響。許炯心 等[3]利用1999年汛前深層鉆孔取樣資料和歷年淤積實(shí)測大斷面資料分析得到1960年前下游河道主槽淤積物中粒徑大于0.1 mm的泥沙占50.7%,這種泥沙在下游淤積比高達(dá)83.1%。所以在本次模擬中泥沙粒徑選取0.14 mm,泥沙休止角為31°,臨界希爾茲參數(shù)為0.05。數(shù)值水槽的長度為20 m,寬度為6 m,高度為4 m。模擬中以矩形模擬水域的下表面為基準(zhǔn)面,在此基準(zhǔn)面的基礎(chǔ)上建立高度為1 m的泥沙仿真區(qū)域。由于速度邊界提供的是沿整個(gè)水深均勻的流速,這樣就會(huì)在底部海床面泥沙范圍內(nèi)加入流速,不符合實(shí)際情況,且流速的存在可能會(huì)將入口附近的海床面泥沙帶走,為防止此情況發(fā)生,在左右邊界加入與海床面泥沙高度相同的實(shí)心擋板[4](圖1中模型的藍(lán)色和紅色部分)。
圖1 抗拖網(wǎng)海床基沙土基床沖刷模型Fig.1 Scouring model of Trawl Resistant Seabed Basement on sand bed
3.2 網(wǎng)格劃分
利用CFD軟件中的網(wǎng)格劃分功能對(duì)抗拖網(wǎng)海床基沙土基床沖刷模型網(wǎng)格進(jìn)行了劃分,網(wǎng)格總數(shù)為100×60×50,形狀為均勻六面體網(wǎng)格。由于模型主要模擬抗拖網(wǎng)海床基周圍的流場變化和泥沙沖刷的地形變化,所以為了使模擬時(shí)計(jì)算能夠更精確,對(duì)抗拖網(wǎng)海床基周圍網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理,如圖2和圖3所示。
圖2 模型網(wǎng)格劃分平面圖Fig.2 Model meshing ichnography
圖3 模型網(wǎng)格劃分立體圖Fig.3 Model meshing stereogram
本文采用廣義的GMRES算法,該方法的殘差極小,且收斂速度快,計(jì)算精度高,求解時(shí)不易產(chǎn)生發(fā)散,在求解N-S方程時(shí)與其他壓力速度的分離式解法相比有很高的效率。
在沖刷模擬中需要考慮重力對(duì)結(jié)果的影響,因此本文設(shè)定重力矢量的大小為9.81 m/s。本文創(chuàng)建了兩相流(水和泥沙)模型,最底層為泥沙,高度為1 m;泥沙層上面的區(qū)域全部設(shè)置為海水。
由于海水流速受季節(jié)、潮汐及深度等多方面的影響,參照文獻(xiàn)[5],對(duì)海水的模擬速度進(jìn)行選擇。
表1 2000年南海東北部8—11月每月平均流速與方向[5]Tab.1 Monthly mean velocity and direction in the northeastern part of the South China Sea in Aug.-Nov.,2000[5]
由表1可知,海水的速度隨著深度的增加而逐漸減小,并且因季節(jié)的不同而有所差異,為了模擬結(jié)果具有代表性,在海流速度的取值中取較大值。所以,進(jìn)流側(cè)設(shè)置恒定流速0.40 m/s,邊界條件的類型設(shè)置為Specified velocity。出口邊界:邊界條件的類型設(shè)置為Outflow。前后邊界和上下邊界:前后邊界采用默認(rèn)鏡像無通量邊界,其類型設(shè)置為Symmetry;下部邊界的類型設(shè)置為Wall。具體邊界類型如圖4所示。
圖4 模型邊界條件設(shè)置Fig.4 Setting model boundary conditions
5.1 沖刷機(jī)理的數(shù)值模擬
流速為0.40 m/s,泥沙粒徑為0.14 mm的條件下,抗拖網(wǎng)海床基沙土基床沖刷過程中不同時(shí)間下的沖刷坑深度值如表2所示。數(shù)值模擬過程中沖刷坑形成的速度比實(shí)際沖刷中沖刷坑形成的速度慢。當(dāng)沖刷開始時(shí),由于受到抗拖網(wǎng)海床基周圍水流和漩渦的作用,抗拖網(wǎng)海床基下面的泥沙被水流沖刷挾帶,在抗拖網(wǎng)海床基前端逐漸形成很小的沖刷坑,此過程中沖刷坑形成迅速,變化比較明顯。隨著沖刷的繼續(xù)進(jìn)行,抗拖網(wǎng)海床基沖刷坑的前后范圍逐漸增大,并向抗拖網(wǎng)海床基兩側(cè)延伸,沖刷坑的深度逐漸增加。由于抗拖網(wǎng)海床基屬于海底結(jié)構(gòu)物,整個(gè)平臺(tái)水平放置到海床面上,且抗拖網(wǎng)海床基對(duì)水流起阻礙作用,使得抗拖網(wǎng)海床基周圍的水流壓縮,導(dǎo)致局部的底流流速增大,從而抗拖網(wǎng)海床基底部周邊的泥沙被水流帶走。由于泥沙顆粒之間的相互摩擦力所起到阻礙作用,隨著水流的沖刷,從沖刷坑內(nèi)被水流沖走的泥沙愈來愈少,沖刷坑的加深速率逐漸變慢。最后,達(dá)到?jīng)_刷平衡,沖刷坑的深度不再增加,沖刷的結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以清晰地看到從開始時(shí)刻到?jīng)_刷平衡時(shí)沖刷坑形成和床面高度變化的完整過程。
表2 沖刷坑深度隨來流時(shí)間的變化Tab.2 Changes of scour depth with flow time
圖5 抗拖網(wǎng)海床基沙土基床沖刷坑隨時(shí)間變化的情況Fig.5 Changes of scour with flow time around Trawl Resistant Seabed Basement
水流遇到抗拖網(wǎng)海床基阻礙時(shí)形成了向下的沖擊水流,在水流的底部區(qū)域會(huì)形成與水流行進(jìn)方向相反的水平方向的反向漩渦(即馬蹄形漩渦),該漩渦對(duì)沙土基床沖刷起主要作用。同時(shí)因?yàn)闆_擊水流向下的沖擊作用,從而在抗拖網(wǎng)海床基迎流區(qū)域形成沖刷坑。而在抗拖網(wǎng)海床基背流區(qū)域由于向上水流和漩渦的共同作用,泥沙在抗拖網(wǎng)海床基背流區(qū)域內(nèi)被沖刷的效果同樣明顯。
抗拖網(wǎng)海床基沙土基床沖刷不僅在前后端產(chǎn)生比較明顯的沖刷坑,抗拖網(wǎng)海床基左右兩側(cè)也會(huì)出現(xiàn)明顯的沖刷,從圖6可以看到,抗拖網(wǎng)海床基左右兩側(cè)形成了深度相當(dāng)?shù)臎_刷坑,沖刷坑范圍大概在1.8 m左右。在抗拖網(wǎng)海床基底部兩端由于馬蹄形漩渦和其他小漩渦的作用,抗拖網(wǎng)海床基周圍的沖刷坑都比較明顯。海床面也發(fā)生了相對(duì)比較大的變化,抗拖網(wǎng)海床基附近的床面沖刷變化比較大,在距離抗拖網(wǎng)海床基上游0.4 m和下游0.4 m處時(shí),床面基本沒變化。圖7為沖刷后的抗拖網(wǎng)海床基周圍地形的三維圖,其中左側(cè)為水流的來流方向。
圖6 抗拖網(wǎng)海床基兩側(cè)的沖刷Fig.6 Scour on the sides of Trawl Resistant Seabed Basement
圖7 沖刷后的抗拖網(wǎng)海床基周圍地形三維圖Fig.7 Three-dimensional map of terrain around Trawl Resistant Seabed Basement after scour
5.2 不同流速下的泥沙沖刷分析
為了更好地研究抗拖網(wǎng)海床基沙土基床的沖刷機(jī)理,在模擬中取泥沙粒徑d=0.5 mm,分別在行進(jìn)流速為0.20,0.25,0.30,0.40和0.50 m/s的條件下進(jìn)行模擬,具體的模擬結(jié)果如圖8所示。當(dāng)行進(jìn)流速為0.20 m/s時(shí),海床面上泥沙不起動(dòng),整個(gè)模擬過程中,海床面幾乎沒有變化,沖刷坑深度較小,為4.6 cm。當(dāng)流速為0.25 m/s時(shí),此時(shí)海床面上的泥沙也不起動(dòng),但是由于抗拖網(wǎng)海床基阻礙產(chǎn)生的向下阻流,使海床面產(chǎn)生泥沙沖刷,沖刷坑的深度相對(duì)較小,為7.52 cm。當(dāng)流速為0.50 m/s時(shí),海床面上的泥沙起動(dòng),最終達(dá)到?jīng)_刷平衡,其沖刷坑的深度為14.19 cm。
圖8 沖刷坑深度隨流速的變化Fig.8 Changes of scour depth under different flow velocity
由圖9可知,隨著流速的增大,抗拖網(wǎng)海床基沙土基床沖刷坑的深度也會(huì)相應(yīng)變大。這是抗拖網(wǎng)海床基沙土基床沖刷坑深度隨流速變化的總體趨勢。從圖中我們可以看到:
(3)當(dāng)行進(jìn)流速V比海床面泥沙的起動(dòng)流速V0大并且逐漸增大時(shí),在海床面上的泥沙會(huì)發(fā)生起動(dòng),則沖刷坑內(nèi)會(huì)得到上游來沙的補(bǔ)充,沖刷坑的深度由于行進(jìn)流速的增大而增大的勢頭會(huì)減弱,此時(shí)為動(dòng)床沖刷。隨著行進(jìn)流速V的進(jìn)一步增大,沖刷坑深度也隨之在增大,但是沖刷速率明顯減小。圖中流速在0.40~0.50 m/s段可大體反映此種趨勢。
圖9 不同流速下抗拖網(wǎng)海床基沖刷模擬圖Fig.9 Simulated diagram of scour around Trawl Resistant Seabed Basement under different flow velocity
5.3 不同泥沙粒徑下的泥沙沖刷分析
泥沙粒徑對(duì)抗拖網(wǎng)海床基沙土基床沖刷產(chǎn)生的影響,主要體現(xiàn)在泥沙顆粒的大小、形狀、阻力系數(shù)和組成結(jié)構(gòu)等四個(gè)方面。本文中,設(shè)定泥沙顆粒的中值粒徑D50分別為0.14,0.20,0.36,0.50和0.65 mm。行進(jìn)流速設(shè)為一個(gè)常數(shù),這里選取流速為0.50 m/s。沖刷結(jié)果具體見圖10和圖11。
圖10 沖刷坑深度隨泥沙粒徑變化Fig.10 Changes of scour depth under different sand size
但是在實(shí)際情況下,由于泥沙粒徑不同泥沙沖刷深度不同的現(xiàn)象并不顯著。在海底沉積物中,泥沙粒徑小則0.1 mm,大則1 000 mm,甚至更大,其比率相差有萬倍,有的甚至更多。而抗拖網(wǎng)海床基布放到海底后受海流作用而形成的泥沙沖刷坑的大小不過1.0~15 m,其比率相差僅15倍,前后兩者在數(shù)量級(jí)上差別很大。在數(shù)值模擬中,一般都是采用比尺模型進(jìn)行求解計(jì)算,所以沖刷坑大小范圍和泥沙顆粒大小范圍的變化數(shù)量級(jí)比較接近。由此可知,數(shù)值模擬的結(jié)果用于實(shí)際應(yīng)用需要慎重考慮。
本文應(yīng)用Flow-3D軟件對(duì)抗拖網(wǎng)海床基沙土基床沖刷進(jìn)行數(shù)值模擬,并改變水流流速和泥沙粒徑,模擬不同條件下對(duì)沙土基床沖刷的影響。
圖11 不同泥沙粒徑下抗拖網(wǎng)海床基沖刷模擬圖Fig.11 Simulated diagram of scour around Trawl Resistant Seabed Basement under different sand size
模擬結(jié)果能夠直觀展現(xiàn)抗拖網(wǎng)海床基沙土基床沖刷坑的形成過程及沖刷床面的變換情況??雇暇W(wǎng)海床基沙土基床沖刷坑深度隨海流流速增大而增加,在設(shè)定其他條件不改變的情況下,沖刷坑的加深速度隨著流速增大會(huì)逐漸減緩,最終達(dá)到?jīng)_淤平衡。在其他條件不變的情況下,隨泥沙粒徑的增大,沖刷坑深度逐漸減小,而且減小的速度逐漸減緩并趨于不沖刷。
本文的模擬結(jié)果還不能完全重現(xiàn)抗拖網(wǎng)海床基布放在海底后沖刷坑的實(shí)際情況,這主要是由于海底環(huán)境復(fù)雜多變,導(dǎo)致模型與實(shí)際情況有一定的差異,因此還需要使用更加準(zhǔn)確的海床面模型及初始條件對(duì)其進(jìn)行模擬。本研究希望能為抗拖網(wǎng)海床基結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提供理論參考。
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NumericalsimulationanalysisofscouraroundTrawlResistantSeabedBasementbasedonFlow-3D
YU Kai-ben1, YANG Tao2, GAO Jian2, LIN Guang-yi2, MENG Qing-jian1, ZONG Le1
(1.NationalDeepSeaCenter,Qingdao266200,China; 2.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,QingdaoScience&TechnologyUniversity,Qingdao266100,China)
Three-dimensional mathematical model of scour around Trawl Resistant Seabed Basement on sand bed was established using Flow-3D. By changing the flow velocity and sediment particle size, the scour on sand bed under different conditions was simulated, and the changes in the trend of maximum scour depth around Trawl Resistant Seabed Basement with the two factors was analyzed. The results show that the scour depth around Trawl Resistant Seabed Basement is increased with current velocity increases, under the other setting conditions unchanged, the scour pit deepened velocity with increasing flow velocity is gradually slowed down, and ultimately achieved sedimentation balance. At the same time, due to the complex and changeable seabed environment, the model and the actual situation are different, and therefore further research should be continued.
Trawl Resistant Seabed Basement;sediment scour;numerical simulation
于凱本,楊濤,高健,等.基于Flow-3D的抗拖網(wǎng)海床基沖刷數(shù)值模擬[J].海洋學(xué)研究,2017,35(3):91-98,
10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.011.
YU Kai-ben, YANG Tao, GAO Jian, et al. Numerical simulation analysis of scour around Trawl Resistant Seabed Basement based on Flow-3D[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(3):91-98, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.011.
2016-08-15
2016-11-16
“泰山學(xué)者工程”專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目資助(tspd 20161007)
于凱本(1977-),男,山東濟(jì)南市人,高級(jí)工程師,主要從事海洋檢測技術(shù)方面的研究。E-mail: kedayangtao@163.com
P715.5;P737.2
A
1001-909X(2017)03-0091-08
10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.011