龍口南山LNG碼頭工程波浪數(shù)值模擬研究

張焯

摘 要：為研究規(guī)劃建設(shè)的龍口南山LNG碼頭的波浪分布情況，采用MIKE 21 BW波浪數(shù)學(xué)模型，對工程海域波浪進行了數(shù)學(xué)模型計算，推求了工程設(shè)計波要素、港區(qū)波高分布。數(shù)值模擬結(jié)果表明：龍口南山LNG所在地海域常浪向為NE向，強浪向為NE向和NNE向;不同設(shè)計水位下，擬建LNG碼頭處在重現(xiàn)期100年一遇波浪作用、重現(xiàn)期50年一遇波浪作用和重現(xiàn)期2年一遇波浪作用時，擬建碼頭處最大H13%波高分別為5.06m、4.62m、和2.53m。

關(guān)鍵詞：波浪;MIKE21-BW模型;數(shù)值模擬;龍口南山LNG碼頭

中圖分類號：U656.2? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）11-0152-03

龍口南山LNG接收站及碼頭項目站址位于煙臺港龍口港區(qū)[1]規(guī)劃的LNG專區(qū)（西突堤北側(cè)起，見圖1）。一期工程建設(shè)6座22萬方LNG儲罐及氣化配套設(shè)施，一期工程規(guī)模為500萬噸LNG/年。該項目還將配套新建天然氣外輸管線，管道規(guī)劃設(shè)計壓力10MPa，管徑1219mm，連接至附近區(qū)域的天然氣管網(wǎng)。

為更好地分析掌握LNG碼頭水域波浪要素，本項目擬通過波浪數(shù)學(xué)模型試驗，對擬建工程設(shè)計波要素和波況分布進行計算，為工程設(shè)計、施工以及運營維護提供相關(guān)依據(jù)。

1波浪條件

工程所在地海域常浪向為NE向，其次為NNE向，年頻率分別占8.3%和5.0%;強浪向為NE向和NNE向，其次為NW向，2m以上的波高出現(xiàn)頻率分別占1.1%、0.8%和0.4%。在波浪模型計算中采用-15m水深處各重現(xiàn)期波浪要素（見表1）。

2波浪數(shù)學(xué)模型

本次工程波浪要素計算研究，主要為碼頭提供工程波浪設(shè)計依據(jù)。港區(qū)碼頭波浪要素計算采用MIKE 21 BW波浪數(shù)學(xué)模型，可以考慮地形和水工建筑物對波浪的折射、反射和繞射以及底部摩阻損耗等的影響，近年來在港口波況研究中廣泛應(yīng)用。該模型可為碼頭提供設(shè)計波要素[2]。

2.1控制方程

連續(xù)方程：

x方向動量方程：

y方向動量方程：

其中：

式中：n為孔隙率;t為時間;為波面高度;為直角坐標系坐標;P、Q為x、y方向流速水深積分（流量分量）;d為靜水深;h為總水深，h=d+;Rxx、Rxy和Ryy表示由非均勻速度引起的剩余動量;Fx、Fy為x、y方向水平應(yīng)力;g為重力加速度;、為層流和紊流阻力系數(shù);為謝才系數(shù);B為色散系數(shù);P、Q、、d 的腳標、、表示對其的偏導(dǎo)數(shù)。

其中，為水平方向的渦流速度。

2.2數(shù)值解法

采用的數(shù)值方法基于SYSTEM 21結(jié)構(gòu)，它由Abbott等（1978）引入并推廣到短波模擬。后來這一結(jié)構(gòu)得到了持續(xù)的發(fā)展[3，4]。

差分方程空間離散采用矩形交替網(wǎng)格。其中水面高程等標量定義于網(wǎng)格結(jié)點，而流量分量則定義在相應(yīng)方向的網(wǎng)格線中點?？臻g導(dǎo)數(shù)的有限差分近似值采用中心格式（對流項除外），時間積分采用時間中心隱式格式，即Boussinesq方程采用的算法是非迭代交替方向的隱式（ADI）算法分步計算。

3試驗結(jié)果及分析

根據(jù)龍口南山LNG規(guī)劃布置，根據(jù)MIKE 21 BW模型計算，在擬建LNG碼頭位置處布置波浪要素特征點，分別位于兩側(cè)系纜墩和碼頭平臺，分別為M1、M2和M3。特征點布置見圖2。

3.1 WNW向波浪結(jié)果分析

重現(xiàn)期100年WNW向波浪作用下，LNG碼頭區(qū)域各測點最大H13%波高為5.01m;重現(xiàn)期50年WNW向波浪作用下，LNG碼頭區(qū)域各測點最大H13%波高為4.62m;重現(xiàn)期2年WNW向波浪作用下，LNG碼頭區(qū)域各測點最大H13%波高為2.53m。

比波高分布如圖3所示。

3.2 NW向波浪結(jié)果分析

重現(xiàn)期100年NW向波浪作用下，LNG碼頭區(qū)域各測點最大H13%波高為5.06m;重現(xiàn)期50年NW向波浪作用下，LNG碼頭區(qū)域各測點最大H13%波高為4.58m;重現(xiàn)期2年NW向波浪作用下，LNG碼頭區(qū)域各測點最大H13%波高為2.50m。

NW向比波高分布如圖4所示。

3.3 NNW向波浪結(jié)果分析

重現(xiàn)期100年NNW向波浪作用下，LNG碼頭區(qū)域各測點最大H13%波高為4.67m;重現(xiàn)期50年NNW向波浪作用下，LNG碼頭區(qū)域各測點最大H13%波高為4.32m;重現(xiàn)期2年NNW向波浪作用下，LNG碼頭區(qū)域各測點最大H13%波高為2.28m。

NNW向比波高分布如圖5所示。

3.4 N向波浪結(jié)果分析

重現(xiàn)期100年N向波浪作用下，LNG碼頭區(qū)域各測點最大H13%波高為3.26m;重現(xiàn)期50年N向波浪作用下，LNG碼頭區(qū)域各測點最大H13%波高為3.06m;重現(xiàn)期2年N向波浪作用下，LNG碼頭區(qū)域各測點最大H13%波高為1.57m。

N向比波高分布如圖6所示。

經(jīng)統(tǒng)計，在N向～WNW向波浪作用下：

（1）重現(xiàn)期100年一遇波浪作用時，百年一遇高水位、極端高水位、設(shè)計高水位、設(shè)計低水位下，擬建碼頭處最大H13%波高分別為5.06m、5.01m、4.62m和4.36m;

（2）重現(xiàn)期50年一遇波浪作用時，百年一遇高水位、極端高水位、設(shè)計高水位、設(shè)計低水位下，擬建碼頭處最大H13%波高分別為4.62m、4.58m、4.24m和4.02m。

（3）重現(xiàn)期2年一遇波浪作用時，百年一遇高水位、極端高水位、設(shè)計高水位、設(shè)計低水位下，擬建碼頭處最大H13%波高分別為2.53m、2.52m、2.44m和2.36m。

4結(jié)論

本研究結(jié)合龍口南山LNG接收站碼頭平面布置方案，利用MIKE 21 BW波浪數(shù)學(xué)模型，對工程海域波浪進行了數(shù)學(xué)模型計算，推求了工程設(shè)計波要素、港區(qū)波高分布，主要結(jié)論有：

（1）龍口南山LNG所在地海域常浪向為NE向，強浪向為NE向和NNE向。

（2）不同設(shè)計水位下，擬建LNG碼頭處在重現(xiàn)期100年一遇波浪作用、重現(xiàn)期50年一遇波浪作用和重現(xiàn)期2年一遇波浪作用時，擬建碼頭處最大H13%波高分別為5.06m、4.62m、和2.53m。

參考文獻：

[1]劉臣，閆建英.龍口港屺坶島LNG碼頭港址通航水流條件分析[J].中國水運（下半月），2012，12（12）：171-173，170.

[2]張娜，郭科，王旭輝. MIKE21—BW模型在日照總平面設(shè)計方案可行性研究中的應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè).2007（1）：32-34.

[3] M.B.Abbott，H.M.Petersen and O.Skovgaard. On The Numerical Modelling of Short Waves in Shallow Water[Z].Mike 21 Manuals.

[4] Per A.Madsen， Russel Murray and Ole R.Sorensen. A New Form of The Boussinesq equations with Improved Linear Dispersion Characteristics[Z]. Mike 21 Manuals.