应用MIKE 21 BW模型分析航道对波浪传播的影响 - 中国水利水电科学 .PDFVIP

第9卷 第4期 中国水利水电科学研究院学报 Vol.9 No.4 2011年12月 JournalofChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch December，2011 文章编号：1672-3031（2011）04-0292-06 应用MIKE 21 BW 模型分析航道对波浪传播的影响 徐俊锋，方春明，黄烈敏，凃 洋 （中国水利水电科学研究院 泥沙研究所，北京 100048） 摘要：波浪在传播过程中遇到航道会发生折射、绕射以及反射现象。MIKE21 的BW模块可以很好地计算和分析 港口、码头等小面积波浪场中的多方向不规则波的相互作用，浅水变形，折射，绕射和反射等各种波浪现象。本 文采用该模块建立在不同航道条件下的波浪传播数学模型，并利用数模结果系统地分析了航道水深、航道宽度、 航道边坡坡度以及波浪入射角度对波浪传播与变形的影响规律。成果对试验研究及工程实践有指导意义。 关键词：航道；数值模拟；MIKE21；波浪传播 + 中图分类号：TV139.26 文献标识码：A 波浪是海洋中最常见的现象之一，是影响港口结构物安全的主要因素。波浪在传播过程中遇到 结构物、变化的地形会发生反射、折射、绕射等现象。港口工程中，通常建造防波堤来掩护港池内 部不受波浪的直接作用，并开挖港池和航道以满足船舶的通行和使用要求。由于开挖航道处的水深 突然发生变化，波浪传播到此处时发生明显的折射现象。在不同的条件下，航道对波浪的折射作用 不同，航道内外波高变化也不同。比如，在波浪入射方向与航道方向平行时，直接传播进入港池内 部的波浪发生明显衰减，这对港内泊稳是有利的，但是被航道折射出去的波浪和航道外的波浪叠 加，发生波能集聚，使某些区域的波高增大而发生结构物被破坏的现象；当波浪与航道成一定角度 入射时，航道外的波能集聚现象会减弱，但航道对航道内部波浪的衰减作用会减弱，通过航道进入 港池内的波能会增大。因此在港口工程中必须考虑航道对波浪传播的影响。 近些年来，中国的港口工程建设在蓬勃发展，越来越多的港口在扩建，已有的航道和港池都需 要加深开挖，因此航道对波浪传播的影响引起了越来越多专家学者的重视。航道对波浪传播影响的 ［1］ ［2］ 研究通常采用数值模型的方法，例如基于抛物线缓坡方程的方法 ，基于Boussinesq方程的方法 以 ［3］ 及物理模型和数学模型相结合的方法 ，同样成熟的数学模型软件在研究中也发挥了很大的作用，例 ［4］ 如赵海涛等人采用SWAN模型分析航道对波浪传播的影响 ，赵智帮等人采用MIKE21模型进行了初 ［3］ 步研究 。由于缺乏航道和港池的详细资料本文采用了概化的航道和港池，研究的重点是通过改变航 道参数进行各因素计算分析，这一概化模型在一定程度上可以反映出航道对波浪传播的影响。 ［5］ MIKE21BW波浪模型由丹麦DHI开发，模型基于Madsen和Sørensen 提出的改进的Boussinesq方 程数值解，经过多年的验证和比较，BW模块可以很好的计算和分析港口、码头等小面积波浪场中的 中短、长周期波的相互作用，浅水变形、折射、绕射和反射等各种波浪现象。由于BW模型的精确性 高，被广泛的应用在港口泊稳的数值计算上，模型控制方程见文献［6］。 航道内外水深比的变化一般由两个原因造成的，一种是人工改变开挖航道的水深，另一种是水 位的变化。一般情况下，在工程建好后不会人工改变航道的开挖深度，因此最主要的影响水深比变 化的因素就是水位的变化。水位升高使航道内外水深比减小，水位降低使水深比增大。模型设置 为：航道宽280m，航道边坡1∶32，设计波高H=3m，谱峰周期T=9s，工程区水深为10m，航道开挖