Flow3D在直立式码头平均越浪量计算中的应用研究

姜雪亮

（山东港通工程管理咨询有限公司，山东 烟台 264001）

在沿海港口水工建筑物设计时，越浪量是一个应当考虑的重要内容。我国现有规范对于斜坡堤堤顶越浪量已有统一的公式进行计算，而对于直立式构筑物目前还没有能够达成一致的公式或者算法，各个国家也都有自己的一些经验计算方法，像欧洲越浪手册法（EurOtop）[1]、美国海岸工程手册法（CEM）[2]、合田良实法[3]、大连理工大学法[4]和Franco法等[5]。

本文利用Flow3D软件，模拟南黄岛直立式突堤码头在不同堤顶高程下的越浪量，并与美国海岸工程手册法（CEM）、大连理工大学法的计算结果进行对比，从中找寻计算直立堤越浪量比较好的方法，为后续的工程设计提供一定的借鉴意义。

1 软件介绍

Flow3D是一款高精确度的计算流体动力软件，利用其独有的TruVOF技术，能够准确地追踪自由液面变化情况（如水波、水跃等）。利用多区块网格功能，Flow3D能够有效地建立网格，即使外形非常复杂的大型模型，也能够配合不同的精度设定，以适当的网格数量描述复杂的外形特征。Flow3D波浪产生器模型是以傅里叶级数为基础延伸发展到所有周期非线性波。Flow3D在海岸工程中的应用包括沿海波、碎波、波堤绕射、防波堤、海潮等。

2 经验算法介绍

（1）CEM法[2]

美国海岸工程手册中对于直立堤平均越浪量，给出计算公式如下：

式中：q—平均越浪量（m3/s）；

g—重力加速度，取9.81m/s2；

Hs—有效波高（m）；

d—水深（m）；

Rc—堤顶相对于静水面高度（m）；

γs—为考虑结构配置和形状的修正因子，对于直墙平面，取1.0；

该手册中规定波向角β取值范围为0°～ 60°，当考虑波向角对平均越浪量q的影响时，折减因子γβ的取值如下：

斜向波：

短峰波：

（2）大连理工大学法[5]

2007年，俞聿修等试验研究了多向不规则波对直立堤的越浪量，得到如下斜向和多向不规则波作用下直立堤的平均越浪量计算公式：

式中：

q—平均越浪量（m3/s）；

g—重力加速度，取9.81m/s2；

Hs—有效波高（m）；

d—水深（m）；

Rc—堤顶相对于静水面高度（m）；

其 中，Rc/Hs=0.47～1.31，d/Hs=3.7～5.1，β取值范围为0°～ 45°。考虑波浪方向的越浪量折减因子γβ的取值见下表。

β/（°） γβ斜向波（长峰波） 多向波（短峰波）0 1.00 0.78 10 0.91 0.77 20 0.81 0.76 30 0.72 0.70 45 0.67 0.65

3 算例

（1）计算条件

南黄岛码头采用重力式方块结构，极端高水位为4.97m，码头设计底标高为-5.5m，H1%波高为3.68m，平均周期T为7.01s，分别计算码头顶高程为5.5m、5.8m时单宽平均越浪量。

（2）计算

1）CEM法

根据计算条件，求得顶高程为5.5m和5.8m时公式中各参数取值如下表所示。

参数 顶高程5.5m 顶高程5.8m Hs 3.68 3.68 d 10.47 10.47 Rc 0.53 0.83 γβ 1 1 γs 1 1

将上述参数带入公式中求得顶高程为5.5m时，码头顶部单宽平均越浪量为1.177m3/s，顶高程为5.8m时，码头顶部单宽平均越浪量为0.922m3/s。

2）大连理工大学法

根据计算条件，求得顶高程为5.5m和5.8m时公式中各参数取值如下表所示。

参数 顶高程5.5m 顶高程5.8m Hs 3.68 3.68 d 10.47 10.47 Rc 0.53 0.83 γβ 1 1

将上述参数带入公式中求得顶高程为5.5m时，码头顶部单宽平均越浪量为0.852m3/s，顶高程为5.8m时，码头顶部单宽平均越浪量为0.727m3/s。

3）Flow3D数值模拟

a.码头顶高程为5.5m

①建立模型

图1 模型参数

图2 网格划分

在软件中根据码头尺寸建立单宽分析模型，并划分计算网格。

②设置参数

分别对软件中的模拟时长、物理参数、流体参数、边界参数、水位参数、挡板参数、输出时间间隔及输出内容以及时间步长进行设置。

图3 物理参数设置

图4 流体参数设置

图5 边界参数设置

图5 挡板参数

图6 输出时间间隔及输出内容设置

图7 时间步长设置

③计算

Flow3D软件会根据网格划分的大小自动分析计算时间及产生文件的大小，便于设计人员对模型进行调整，分析完成后，就可以进行模拟计算，完成后的稳定限制（红线）曲线和时间步长（蓝线）曲线如下图所示。

图8 稳定极限和步长曲线

④计算结果

计算结果如下图所示。

图9 越浪量变化曲线

图10 某一时刻波浪形态图

为得到生成的越浪曲线的积分，需要将曲线数据导出为.dat文件，然后导入到Origin9.0软件（数据分析软件）中进行积分计算。

图11 越浪曲线积分

从上图中可以得到一个时间段内的积分面积。经计算，即可得到单宽越浪量为1.841m3/s。

b.码头顶高程为5.8m

修改模型，重复上述操作过程，即可得到顶高程为5.8m时单宽越浪量为1.6291.841m3/s。

（3）计算结果比较

各种计算方式结果见下表

序号 计算方法 顶高程5.5m 顶高程5.8m 降低百分比1 CEM法 1.177 0.922 21.70%2 大连理工大学法 0.852 0.727 14.67%3 Flow3d模拟1.841 1.629 11.51%

图12 直立堤单宽平均越浪量

通过数据比较可以发现，采用不同的计算方法得到的越浪量的数量级是一致的，采用大连理工大学法计算得到的结果最低，其次是CEM法，Flow3D模拟所得到的结果最大。随着码头顶高程的升高，越浪量降低趋势相近。

4 结语

本文通过数值模拟的方法计算越浪量，并与传统经验公式计算进行对比分析，意在提供另外一种解决思路。Flow3D软件模拟得到的结果与经验公式得到的结果数量级保持一致，因此在工程设计时可以采用该方法对越浪量进行验算。通过数值模拟的方法计算越浪量可以在较短的时间内得到比较理想的结果，并可对多种结果进行直观比较，这对于工程设计人员在设计初期确定设计方案有比较明显的优势。

鉴于直立堤越浪量没有统一的设计标准，各个算法得到的结果仅供工程参考，无法判断孰优孰劣，待后期有条件，可进行物理模型试验，通过采集试验数据来比较在不同区域采用哪种计算方式更为适合。现阶段通过数值模拟计算所得数据仅供设计参考。