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MIKE21水动力数学模型在桥梁工程中流场模拟中应用 　　【摘 要】在对MIKE21二维水动力数学模型进行简单介绍的基础上，应用MIKE21水动力模块对拟建桥梁附近河段进行三角形网格剖分，建立河道二维水动力数学模型，对河道流场及圆桥墩局部绕流进行数值模拟，得出建桥前后河道流场变化，从而分析桥墩对河道流场的影响，分析结果可作为桥梁布置重要的设计依据。 【关键词】MIKE21；桥梁；流场模拟 随着中国城市化进程的加快，大量市政工程的建设，在给人们出行带来很大便利的同时，也可能会给河道的行洪产生一定的影响。横山桥位于西湾围涂区内，跨越海涂横河，与高速高速公路交叉。由于横山桥工程支墩和平台的兴建将占用河道的过洪断面，局部水域桩基密集分布，水流条件也相对复杂。为此，本文利用MIKE21软件在桥梁工程附近河段建立二维水动力数学模型，模拟桥梁建成前后附近河段的流场变化，分析桥梁工程对附近流场的影响，为桥梁工程的设计方案优化提出合理化建议。 1 MIKE21模型简介 MIKE21是丹麦水力研究所（简称DHI）开发的系列水动力学软件之一，属于平面二维自由表面流模型。DHI采用MIKE21作为研究手段，在应用中发展、改进和推广该软件。20多年来，MIKE21在世界范围内大量工程应用经验的基础上持续发展起来，在平面二维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能。 1.1 基本方程 二维水动力数学模型控制方程为： （1） （2） （3） 式中：Z为潮位，即水面到某基准面的距离； U、V分别为X、Y方向的垂线平均流速分量；H为水深；g为9.81m/s2，为重力加速度；f为科氏力（，为维度，为地球自转速度）；为 谢才系数，取，n为糙率系数；、分别为X、Y方向的涡动扩散系数；Wx、Wy 分别为X、Y方向的风应力分量；X、Y为直角坐标；t为时间。 1.2 定解条件 上述方程组的初始条件： ，， 1.3 边界条件 水边界，“*”表示已知值； 陆边界，法向方向流速为0； 1.4 动边界处理 潮汐河口内水位呈现涨落变化，经常出现浅滩露出问题，即动边界问题。目前处理此类问题主要方法是采用限制水深的方法进行处理，即将网格分为干、湿、及半干单元等三类。 干网格：n时刻，如网格水深h hwet，判定该网格为湿网格。 1.5 计算格式 根据上述条件，控制方程即可利用一定的离散格式求解方程解。求解方程数值方法很多，主要有ADI法、破开算子法、直接差分法、特征线法、有限元法及有限体积法，鉴于三角形网格具有比较容易拟合复杂边界、网格布设灵活、局部加密方便、适应性强的特点，本文采用基于三角形网格的有限体积法离散，变量取在三角形形心，控制体采用三角形网格。对方程离散可得到离散方程组： 其中Ai为控制三角形面积，Fnij为三角形各边的计算通量，为三角形边长，Si为方程源项。 上述离散方程中离散通量Fnij的计算采用近似黎曼解Roe格式离散对流通量。 2 模型应用 2.1 工程概况 横山桥位于平阳县鳌江镇东部、鳌江入海口北侧的西湾围涂区块内。横山桥桥梁宽度40m，长度76.8m，汽车荷载为城市-A级。桥梁上部拟采用预制板梁结构，下部结构采用重力式承台，桥墩处采用柱接盖梁形式，基础为钻孔灌注桩。横山桥与甬台温高速公路桥交叉，跨越海涂横河，河道最小控制宽度35m。 2.2 研究范围及网格剖分 计算区域全长300m，模型采用三角形网格划分。为模拟大桥建成前后的流场变化，分别建立两套网格，其中建桥前计算区域共布置了3432个计算网格，1854个计算节点，网格最小边长约1.2m；建桥后计算区域共布置了3991个计算网格，2163个计算节点，网格最小边长约0.8m。河道地形采用规划梯形河床断面，河道底高程0.12m，边坡1∶3。水利计算模型采用变时间步长处理，最小时间步长0.001s，最大时间步长30.0s。 2.3 工程概化 目前对桩墩的模拟主要采用两种模式：（1）局部阻力修正法和（2）直接模拟法。局部阻力修正法对桩群所在网格的糙率（或切应力）进行修正并相应抬高网格高程，将桩墩作为过水区域处理，这种模式不必描述桩墩外形，可以加大计算网格尺度，缩短计算时间；直接模拟法则采用加密网格将每个墩体均作为陆域处理，所得流场较为真实可靠。本文将采用第二种处理方式，即对衡山河钻孔灌注桩基础概化成不过水且阻水面积相同的方桩，并在桩基附近对网格进行加密。 2.4 参数选定 （1）糙率系数。糙率系数反映了水流和床面相互作用过程中，床面边界粗糙程度，床面形态等因素对水流阻力的综合影响，影响到水力要素的计算精度，一般通过模型的率定和