一种涌潮与海塘相互作用的SPH数值模拟技术

摘要

本发明涉及一种涌潮与海塘相互作用的SPH数值模拟技术，包括(1)海塘原模型布置：涌潮从模型左侧进入，涌潮到达前保持静止，涌潮潮高2.0m，涌潮水流速度6.0m/s；陡墙式海塘坡度7:3、高6.0m的阶梯状斜坡，堤脚距左侧生潮边界70m，海塘上部为14.0m宽的平台，之后依次为1:1.5的斜坡、挡浪墙以及后方平台；(2)海塘比较模型布置：假定与原海塘结构牢固联结，在海塘迎潮面设置“圆弧段+挑流段”组合的挡潮结构。本发明在海塘迎潮面设置“圆弧段+挑流段”组合的挡潮结构，并与原海塘结构牢固联结，提出一种合理确定“圆弧段+挑流段”组合挡潮结构面的设计参数的分析技术，实现潮流的反转和定向、定高挑流。

说明书

技术领域

本发明涉及一种涌潮与海塘相互作用的SPH数值模拟技术，属于水利工程防灾减灾技术领域。

背景技术

光滑粒子流体动力学法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)，最早由Gingold和Monaghan，Lucy在1977年分别提出，旨在解决三维开放空间中的天体物理学问题。SPH方法通过大量粒子来离散研究对象，每一个粒子代表该对象中的介质团，粒子之间无直接的网格联系，因此可以有效地避免传统网格方法难以处理的网格畸变问题。这种粒子系统不仅具有直观的物质属性，即密度、速度、压强等宏观物理量，还兼具计算节点的功能。通过对节点邻域内的所有粒子进行加权累加，可以用来估算场变量、对控制方程进行离散近似。本发明采用的数学模型基于SPH方法直接求解Navier-Stokes方程，适宜用来模拟具有复杂自由表面的强非线性水动力学现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种涌潮与海塘相互作用的SPH数值模拟技术，在海塘迎潮面设置“圆弧段+挑流段”组合的挡潮结构，并与原海塘结构联结成整体。应用本专利技术，可合理确定“圆弧段+挑流段”组合挡潮结构面的设计参数，以实现涌潮潮流的反转和定向、定高挑流。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种涌潮与海塘相互作用的SPH数值模拟技术，包括以下步骤：

(1)海塘原模型布置：其中涌潮潮流从模型左侧进入，低潮位水深为1.0m，涌潮到达前保持静止，涌潮潮高2.0m，涌潮水流速度6.0m/s；海塘坡度7:3、高6.0m的阶梯状斜坡，塘脚距左侧生潮边界70m，海塘上部为14.0m宽的平台，之后依次为1:1.5的斜坡、挡浪墙以及后方平台；

(2)海塘比较模型布置：在海塘迎潮面设置“圆弧段+挑流段”组合的挡潮结构，并与原海塘结构牢固联结。

所述SPH数值模拟涉及涌潮与海塘相互作用的全过程分析，包括涌潮传播、潮流遇海塘涌高后直接抛射或反转挑流和越浪后水流在平台上的运动。

基本工况条件为：低潮水深1.0m，涌潮潮高2.0m，涌潮水流速度6.0m/s；

挑流段比选参数：长度L_t为1.0m、2.0m或3.0m，挑流角θ为45°、60°或75°。

所述步骤(1)中，模型中所有结构物均采用不可渗透固边界。

所述步骤(2)中，模型中圆弧段下端与原塘身平顺相切，上端与挑流段平顺相切。

本发明的有益效果如下：

本发明的涌潮与海塘相互作用的SPH数值模拟技术，拟定了3种挑流角和3种挑流段长度的不同组合，以分析不同情况组合条件对挑流高度和挑流距离的影响，同时给出各工况中平台上越浪水流的最大流速和最大流量，为有效解决陡墙式海塘观潮安全与涌潮景观维护的难题提供一种可行的分析技术与方法。

附图说明

图1为海塘原模型布置示意图；

图2为海塘比较模型布置示意图；

图3为挑流段长度与挑流角示意图；

图4为挑流距离和挑流高度示意图；

图5为越浪水流的流速、流量监测断面示意图。

具体实施方式

下面结合具体分析案例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明提供一种涌潮与海塘相互作用的SPH数值模拟技术，包括以下步骤：

(1)海塘原模型布置：如图1所示，其中涌潮从模型左侧进入，根据当地历史观测数据选取代表性水文参数，低潮位水深设为1.0m，涌潮到达前保持静止，涌潮潮高2.0m，涌潮水流速度6.0m/s。案例分析时选用陡墙式海塘，海塘坡度7:3、高6.0m的阶梯状斜坡，塘脚距左侧生潮边界70m。海塘上部为一约14.0m宽的平台，之后依次为1:1.5的斜坡、挡浪墙以及后方平台。模型中所有结构物均采用不可渗透固边界。

(2)海塘比较模型布置：如图2所示，在海塘迎潮面设置“圆弧段+挑流段”组合的挡潮结构(与原海塘结构牢固联结)，圆弧段下端与原塘身平顺相切，上端与挑流段平顺相切，以实现潮流的反转和定向、定高挑流。

为了模拟分析涌潮与海塘相互作用的全过程，包括涌潮的传播、潮流遇海塘涌高后直接抛射或反转挑流以及越浪后水流在平台上的运动，本发明采用陡墙式海塘以下典型的涌潮水动力条件。

基本工况条件：低潮水深1.0m，涌潮潮高2.0m，涌潮水流速度6.0m/s；

圆弧段+挑流段结构的参数工况：

圆弧段半径：3.0m；

挑流段长度L_t：1.0m、2.0m或3.0m；

挑流角θ：45°、60°或75°；

挑流段起始点位置：平台高程；

挑流段长度L_t和挑流角θ，如图3所示。

本发明在基本工况条件的前提下，拟定了3种挑流角、3种挑流段长度的不同组合共计9组工况，以分析不同工况组合条件对挑流高度和挑流距离的影响，同时给出各工况中平台上越浪水流的最大流速和最大流量。

本发明中，挑流高度为挑流水舌最大抛射高度与原海塘平台之间的垂直距离，挑流距离为挑流水舌抛射后落到平台高程时与原海塘平台之间的水平距离，负值表示水舌向海塘侧抛射，如图4所示；平台上最大越浪流速和流量在平台上距前沿5m处测得，如图5所示。

模拟结果和数据统计分析

数值模拟结果显示，当涌潮与原海塘作用后，水体在陡墙式挡墙上迅速爬高，大量水体呈斜向上、朝海塘内侧方向抛射，并直接形成较大越浪。越浪水流流速大、水舌厚，迅速翻越挡浪墙，威胁海塘与陆域的安全。

当海塘增设“圆弧段”挡潮结构后(无挑流段)，水体斜向上的运动趋势有所改变，但由于后续水体的不断涌高，水舌基本按垂直方向抛射，平台上的越浪亦较为剧烈。

当布置“圆弧段+挑流段”组合的挡潮结构后，涌潮水流能够在圆弧段、挑流段的共同引导下形成明显的挑流现象，具有较大动能的冲击水舌被成功返回水侧；随着塘前水位的壅高，水体漫过挡水结构后也会形成越浪水流，但其流速和流量相对要小得多。

表1不同工况组合下的水动力指标

表1给出了不同工况组合下的水动力指标，对比相关参数可以得出以下几点结论：

1、挑流高度和挑流距离主要受控于挑流角度，而挑流段长度达到一定值后，其变化的影响基本可以忽略。挑流角度越大，挑流高度也越大，而挑流距离则会变小，这与常见的斜向抛物现象是一致的。

2、挑流水舌初速度受挑流角度和挑流段长度的影响都不明显。这是因为水流在引导过程中，能量的损耗很小。

3、组合结构后方平台的越浪强度受挑流段垂向高度控制，即挑流垂向高度越大，漫过的水量就越少，越浪水流的最大流速和最大流量也越小。

综上所述，“圆弧段+挑流段”挡潮结构能够有效引导涌潮水流返回水侧，形成预期的水力学景观，也可明显降低涌高水体越过挑流段后对平台和陆域带来的安全威胁。

由于SPH数值模拟的二维建模的特点，对于持续推进的涌潮潮流而言，只有当挑流段足够长、形成有效挡水高度后，才能彻底保证挑流段内侧不越浪，否则仍会有少量水体漫过挑流段进入内侧。

但实际情况是，涌潮潮流在平面空间上具有局部性，在时间上具有非同步性，因此，涌潮潮流在遇某一特定海塘迎潮面时，其首次涌高值会受两边扩散的影响而明显减少，从而可降低对挑流段垂直挡水高度的要求。

上述分析案例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均列入本发明的保护范围。