01 研究背景

澤布魯日港（Zeebrugge）是比利時最重要的海港之一。澤布魯日港附近區(qū)域經(jīng)常發(fā)生強(qiáng)烈的潮汐流，在漲潮時潮汐振幅可達(dá)5米。由于潮汐的影響，在港口測量到不斷變化的復(fù)雜渦流。研究在港口處產(chǎn)生的渦旋，特別是懸浮泥沙流經(jīng)港口后的重新分配，不論是出于航海目的還是為了加深對港口淤積的了解，都是很有必要的。

02 案例展示

本文將講解IMDC的工程師通過三維水動力模塊，開展潮汐發(fā)生時的港口渦流的研究，并將水動力仿真計算的結(jié)果與ADCP實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行對比驗證，并通過改變床面粗糙度和水平湍流粘滯度，對渦旋的形成進(jìn)行敏感性試驗。

03 模型搭建

模型的研究范圍以澤布魯日港為中心，西至法國的Dunkirque，東至荷蘭的Goeree-Overflakkee，范圍包含了斯舍爾特的東、西河口。海洋邊界處網(wǎng)格尺寸為5000 m，在港口附近加密至30 m；網(wǎng)格在豎直方向上離散成不等距的10層。通過Zuno模型獲取10 min間隔的時間序列流速和水位數(shù)據(jù)，并將其作為自由邊界條件。

模型采用Smagorinsky格式計算水平渦旋粘度；采用Nezu和Nakagaw混合長度參數(shù)化模型計算垂直渦旋粘度。工程師通過對比實(shí)測的水位和流速數(shù)據(jù)來進(jìn)行曼寧摩擦系數(shù)的校準(zhǔn)，得出曼寧摩擦系數(shù)的值為0.02s/m1/3，并在靠近港口入口的地方適當(dāng)增加摩擦系數(shù)來表示由堤岸的大型混凝土構(gòu)件的摩擦帶來的影響。IMDC的工程師使用三位水動力模塊，以20s的時間步長，進(jìn)行了時長15天的仿真計算。

04 結(jié)果比對

根據(jù)ADCP的測量結(jié)果，在高水位到達(dá)前2h，在港口東面的水壩，有一股水流以射流的形式流入海港，且射流的長度與強(qiáng)度隨著時間而增加，這個射流產(chǎn)生了一個順時針方向的旋轉(zhuǎn)主渦旋（如圖3a所示）；在高水位到達(dá)前1h，該射流還產(chǎn)生了一個較小的逆時針旋轉(zhuǎn)的次級渦旋，（如圖3b）所示。

在模型的計算結(jié)果中，高水位的出現(xiàn)時間在整個潮汐周期中更晚。結(jié)果重現(xiàn)了ADCP測量結(jié)果中的強(qiáng)射流，（如圖3c所示），而射流的位置更靠東。伴隨著強(qiáng)射流的出現(xiàn)，同樣形成了強(qiáng)烈的順時針旋轉(zhuǎn)的主渦旋。在主渦旋出現(xiàn)后1h（如圖3d所示），同樣地，射流也促使了較弱的逆時針旋轉(zhuǎn)的次級渦旋的產(chǎn)生。

根據(jù)ADCP的測量結(jié)果，在高水位到達(dá)時（如圖4a所示），不再有射流流入港口，渦旋與海上流動解耦，開始遵循自身的動力學(xué)，主渦旋的大小和量級開始減少。直至高水位到達(dá)的1h后（如圖4b所示），港口內(nèi)只剩下逆時針旋轉(zhuǎn)的次級渦旋，且次級渦旋緩緩向海港入口移動，并逐漸減弱。

而在高水位到達(dá)約1h后，模型計算結(jié)果中仍然觀察到了主渦旋和次級渦旋同時存在（如圖4c所示），但隨著時間的推移，主渦旋的大小迅速減弱，次級渦旋的強(qiáng)度較小更慢；最后主渦旋完全消失（如圖4d所示），這與ADCP的測量結(jié)果是吻合的。然而在模型的計算結(jié)果中，在主渦旋的北部可以觀察到一個與次級渦旋旋轉(zhuǎn)方向相同的，非常微弱的三級渦旋。該三級渦旋沒有被ADCP測量到，其原因可能是由于ADCP測量提供的空間分辨率有限，不足以觀測到如此微小的渦旋。

05 敏感性分析

A．河床糙率

為了評估河床粗糙度對渦旋形成的敏感性，IMDC的工程師不再對港口沿岸的摩擦系數(shù)進(jìn)行增大處理，采用全場恒定的曼寧粗糙度系數(shù)0.02 s/m1/3進(jìn)行仿真。與基礎(chǔ)工況相比，模擬的渦流模式發(fā)生了顯著變化(圖5)。首先，可以看到相同的射流發(fā)展(圖5a)。然而，它的位置略有不同。因此初級渦旋的環(huán)流略微增強(qiáng)，而形成的次級環(huán)流則略弱于基礎(chǔ)工況的次級環(huán)流(圖5b)。因此，在使用全場統(tǒng)一的曼寧粗糙度系數(shù)后，主渦旋不會隨著時間的推移而消失(圖5c)，最終在退潮階段在港口仍存在有兩個渦流，而不是一個(圖5d)，這與ADCP的測量結(jié)果是不一致的。

B．湍流模型/渦流粘度

為了測試水平湍流模型設(shè)置對港口模型的敏感性，IMDC的工程師采用了水平渦流粘度恒定為1 m2/s的模型來進(jìn)行仿真計算。計算表明，采用恒定水平渦流粘度模型時結(jié)果比水平渦流粘度約為0.01 m2/s的Smagorinsky格式略高。高粘度系數(shù)的使用削弱了港口入口處的射流(圖6a)。隨著時間演進(jìn)，次級渦旋產(chǎn)生，但仍弱于主渦旋(圖6b)。因此在這種情況下，在退潮開始時，主渦旋仍留在港口(圖6c)，且比次級渦旋略強(qiáng)。然而，隨著時間演進(jìn)，主渦旋最終消失，流動方向最終與ADCP的測量結(jié)果相同(圖6d)。

06 研究結(jié)論

IMDC的工程師為了研究澤布魯日港的渦旋，建立了三維水動力的模型。經(jīng)過對比驗證，水動力模型的計算結(jié)果與ADCP的實(shí)際測量結(jié)果吻合度高。當(dāng)一個強(qiáng)入流輸入港口，在高水位到達(dá)前會形成一個強(qiáng)射流，該射流將產(chǎn)生一個順時針旋轉(zhuǎn)的主渦旋和一個逆時針旋轉(zhuǎn)的次級渦旋，其中只有逆時針的次級渦旋在退潮時仍然可見。對水動力模型的敏感性分析表明，計算結(jié)果對靠近港口邊緣的河床摩擦非常敏感，且水平渦流粘滯度的變化也會導(dǎo)致港口內(nèi)出現(xiàn)不同數(shù)量的渦。

07 小結(jié)

本文主要講述了IMDC的工程師使用水動力通用仿真軟件建立三維水動力學(xué)模型來對澤布魯日港港口由于潮汐產(chǎn)生的渦流進(jìn)行了仿真計算，并與ADCP的實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行了對比。IMDC的研究表明，三維水動力的仿真計算結(jié)果具有相當(dāng)高的準(zhǔn)確性和可靠性，可以服務(wù)于港口處產(chǎn)生的渦旋對港口淤積的影響研究。

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