本發(fā)明涉及一種涌潮與海塘相互作用的sph數(shù)值模擬技術(shù)，屬于水利工程防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)法(smoothedparticlehydrodynamics,sph)，最早由gingold和monaghan，lucy在1977年分別提出，旨在解決三維開(kāi)放空間中的天體物理學(xué)問(wèn)題。sph方法通過(guò)大量粒子來(lái)離散研究對(duì)象，每一個(gè)粒子代表該對(duì)象中的介質(zhì)團(tuán)，粒子之間無(wú)直接的網(wǎng)格聯(lián)系，因此可以有效地避免傳統(tǒng)網(wǎng)格方法難以處理的網(wǎng)格畸變問(wèn)題。這種粒子系統(tǒng)不僅具有直觀的物質(zhì)屬性，即密度、速度、壓強(qiáng)等宏觀物理量，還兼具計(jì)算節(jié)點(diǎn)的功能。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)鄰域內(nèi)的所有粒子進(jìn)行加權(quán)累加，可以用來(lái)估算場(chǎng)變量、對(duì)控制方程進(jìn)行離散近似。本發(fā)明采用的數(shù)學(xué)模型基于sph方法直接求解navier-stokes方程，適宜用來(lái)模擬具有復(fù)雜自由表面的強(qiáng)非線(xiàn)性水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種涌潮與海塘相互作用的sph數(shù)值模擬技術(shù)，在海塘迎潮面設(shè)置“圓弧段+挑流段”組合的擋潮結(jié)構(gòu)，并與原海塘結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)成整體。應(yīng)用本專(zhuān)利技術(shù)，可合理確定“圓弧段+挑流段”組合擋潮結(jié)構(gòu)面的設(shè)計(jì)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)涌潮潮流的反轉(zhuǎn)和定向、定高挑流。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種涌潮與海塘相互作用的sph數(shù)值模擬技術(shù)，包括以下步驟：

(1)海塘原模型布置：其中涌潮潮流從模型左側(cè)進(jìn)入，低潮位水深為1.0m，涌潮到達(dá)前保持靜止，涌潮潮高2.0m，涌潮水流速度6.0m/s；海塘坡度7:3、高6.0m的階梯狀斜坡，塘腳距左側(cè)生潮邊界70m，海塘上部為14.0m寬的平臺(tái)，之后依次為1:1.5的斜坡、擋浪墻以及后方平臺(tái)；

(2)海塘比較模型布置：在海塘迎潮面設(shè)置“圓弧段+挑流段”組合的擋潮結(jié)構(gòu)，并與原海塘結(jié)構(gòu)牢固聯(lián)結(jié)。

所述sph數(shù)值模擬涉及涌潮與海塘相互作用的全過(guò)程分析，包括涌潮傳播、潮流遇海塘涌高后直接拋射或反轉(zhuǎn)挑流和越浪后水流在平臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)。

基本工況條件為：低潮水深1.0m，涌潮潮高2.0m，涌潮水流速度6.0m/s；

挑流段比選參數(shù)：長(zhǎng)度lt為1.0m、2.0m或3.0m，挑流角θ為45°、60°或75°。

所述步驟(1)中，模型中所有結(jié)構(gòu)物均采用不可滲透固邊界。

所述步驟(2)中，模型中圓弧段下端與原塘身平順相切，上端與挑流段平順相切。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明的涌潮與海塘相互作用的sph數(shù)值模擬技術(shù)，擬定了3種挑流角和3種挑流段長(zhǎng)度的不同組合，以分析不同情況組合條件對(duì)挑流高度和挑流距離的影響，同時(shí)給出各工況中平臺(tái)上越浪水流的最大流速和最大流量，為有效解決陡墻式海塘觀潮安全與涌潮景觀維護(hù)的難題提供一種可行的分析技術(shù)與方法。

附圖說(shuō)明

圖1為海塘原模型布置示意圖；

圖2為海塘比較模型布置示意圖；

圖3為挑流段長(zhǎng)度與挑流角示意圖；

圖4為挑流距離和挑流高度示意圖；

圖5為越浪水流的流速、流量監(jiān)測(cè)斷面示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體分析案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

本發(fā)明提供一種涌潮與海塘相互作用的sph數(shù)值模擬技術(shù)，包括以下步驟：

(1)海塘原模型布置：如圖1所示，其中涌潮從模型左側(cè)進(jìn)入，根據(jù)當(dāng)?shù)貧v史觀測(cè)數(shù)據(jù)選取代表性水文參數(shù)，低潮位水深設(shè)為1.0m，涌潮到達(dá)前保持靜止，涌潮潮高2.0m，涌潮水流速度6.0m/s。案例分析時(shí)選用陡墻式海塘，海塘坡度7:3、高6.0m的階梯狀斜坡，塘腳距左側(cè)生潮邊界70m。海塘上部為一約14.0m寬的平臺(tái)，之后依次為1:1.5的斜坡、擋浪墻以及后方平臺(tái)。模型中所有結(jié)構(gòu)物均采用不可滲透固邊界。

(2)海塘比較模型布置：如圖2所示，在海塘迎潮面設(shè)置“圓弧段+挑流段”組合的擋潮結(jié)構(gòu)(與原海塘結(jié)構(gòu)牢固聯(lián)結(jié))，圓弧段下端與原塘身平順相切，上端與挑流段平順相切，以實(shí)現(xiàn)潮流的反轉(zhuǎn)和定向、定高挑流。

為了模擬分析涌潮與海塘相互作用的全過(guò)程，包括涌潮的傳播、潮流遇海塘涌高后直接拋射或反轉(zhuǎn)挑流以及越浪后水流在平臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)，本發(fā)明采用陡墻式海塘以下典型的涌潮水動(dòng)力條件。

基本工況條件：低潮水深1.0m，涌潮潮高2.0m，涌潮水流速度6.0m/s；

圓弧段+挑流段結(jié)構(gòu)的參數(shù)工況：

圓弧段半徑：3.0m；

挑流段長(zhǎng)度lt：1.0m、2.0m或3.0m；

挑流角θ：45°、60°或75°；

挑流段起始點(diǎn)位置：平臺(tái)高程；

挑流段長(zhǎng)度lt和挑流角θ，如圖3所示。

本發(fā)明在基本工況條件的前提下，擬定了3種挑流角、3種挑流段長(zhǎng)度的不同組合共計(jì)9組工況，以分析不同工況組合條件對(duì)挑流高度和挑流距離的影響，同時(shí)給出各工況中平臺(tái)上越浪水流的最大流速和最大流量。

本發(fā)明中，挑流高度為挑流水舌最大拋射高度與原海塘平臺(tái)之間的垂直距離，挑流距離為挑流水舌拋射后落到平臺(tái)高程時(shí)與原海塘平臺(tái)之間的水平距離，負(fù)值表示水舌向海塘側(cè)拋射，如圖4所示；平臺(tái)上最大越浪流速和流量在平臺(tái)上距前沿5m處測(cè)得，如圖5所示。

模擬結(jié)果和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)涌潮與原海塘作用后，水體在陡墻式擋墻上迅速爬高，大量水體呈斜向上、朝海塘內(nèi)側(cè)方向拋射，并直接形成較大越浪。越浪水流流速大、水舌厚，迅速翻越擋浪墻，威脅海塘與陸域的安全。

當(dāng)海塘增設(shè)“圓弧段”擋潮結(jié)構(gòu)后(無(wú)挑流段)，水體斜向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)有所改變，但由于后續(xù)水體的不斷涌高，水舌基本按垂直方向拋射，平臺(tái)上的越浪亦較為劇烈。

當(dāng)布置“圓弧段+挑流段”組合的擋潮結(jié)構(gòu)后，涌潮水流能夠在圓弧段、挑流段的共同引導(dǎo)下形成明顯的挑流現(xiàn)象，具有較大動(dòng)能的沖擊水舌被成功返回水側(cè)；隨著塘前水位的壅高，水體漫過(guò)擋水結(jié)構(gòu)后也會(huì)形成越浪水流，但其流速和流量相對(duì)要小得多。

表1不同工況組合下的水動(dòng)力指標(biāo)

表1給出了不同工況組合下的水動(dòng)力指標(biāo)，對(duì)比相關(guān)參數(shù)可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1、挑流高度和挑流距離主要受控于挑流角度，而挑流段長(zhǎng)度達(dá)到一定值后，其變化的影響基本可以忽略。挑流角度越大，挑流高度也越大，而挑流距離則會(huì)變小，這與常見(jiàn)的斜向拋物現(xiàn)象是一致的。

2、挑流水舌初速度受挑流角度和挑流段長(zhǎng)度的影響都不明顯。這是因?yàn)樗髟谝龑?dǎo)過(guò)程中，能量的損耗很小。

3、組合結(jié)構(gòu)后方平臺(tái)的越浪強(qiáng)度受挑流段垂向高度控制，即挑流垂向高度越大，漫過(guò)的水量就越少，越浪水流的最大流速和最大流量也越小。

綜上所述，“圓弧段+挑流段”擋潮結(jié)構(gòu)能夠有效引導(dǎo)涌潮水流返回水側(cè)，形成預(yù)期的水力學(xué)景觀，也可明顯降低涌高水體越過(guò)挑流段后對(duì)平臺(tái)和陸域帶來(lái)的安全威脅。

由于sph數(shù)值模擬的二維建模的特點(diǎn)，對(duì)于持續(xù)推進(jìn)的涌潮潮流而言，只有當(dāng)挑流段足夠長(zhǎng)、形成有效擋水高度后，才能徹底保證挑流段內(nèi)側(cè)不越浪，否則仍會(huì)有少量水體漫過(guò)挑流段進(jìn)入內(nèi)側(cè)。

但實(shí)際情況是，涌潮潮流在平面空間上具有局部性，在時(shí)間上具有非同步性，因此，涌潮潮流在遇某一特定海塘迎潮面時(shí)，其首次涌高值會(huì)受兩邊擴(kuò)散的影響而明顯減少，從而可降低對(duì)挑流段垂直擋水高度的要求。

上述分析案例僅用于解釋說(shuō)明本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思，而非對(duì)本發(fā)明權(quán)利保護(hù)的限定，凡利用此構(gòu)思對(duì)本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)，均列入本發(fā)明的保護(hù)范圍。