01 研究背景

澤布魯日港（Zeebrugge）是比利時最重要的海港之一。澤布魯日港附近區域經常發生強烈的潮汐流，在漲潮時潮汐振幅可達5米。由于潮汐的影響，在港口測量到不斷變化的復雜渦流。研究在港口處產生的渦旋，特別是懸浮泥沙流經港口后的重新分配，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，開展潮汐發生時的港口渦流的研究，并將水動力仿真計算的結果與ADCP實際測量結果進行對比驗證，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。海洋邊界處網格尺寸為5000 m，在港口附近加密至30 m；網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據，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混合長度參數化模型計算垂直渦旋粘度。工程師通過對比實測的水位和流速數據來進行曼寧摩擦系數的校準，得出曼寧摩擦系數的值為0.02s/m1/3，并在靠近港口入口的地方適當增加摩擦系數來表示由堤岸的大型混凝土構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，進行了時長15天的仿真計算。

04 結果比對

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

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

根據ADCP的測量結果，在高水位到達時（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，主渦旋的大小和量級開始減少。直至高水位到達的1h后（如圖4b所示），港口內只剩下逆時針旋轉的次級渦旋，且次級渦旋緩緩向海港入口移動，并逐漸減弱。

而在高水位到達約1h后，模型計算結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的測量結果是吻合的。然而在模型的計算結果中，在主渦旋的北部可以觀察到一個與次級渦旋旋轉方向相同的，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進行增大處理，采用全場恒定的曼寧粗糙度系數0.02 s/m1/3進行仿真。與基礎工況相比，模擬的渦流模式發生了顯著變化(圖5)。首先，可以看到相同的射流發展(圖5a)。然而，它的位置略有不同。因此初級渦旋的環流略微增強，而形成的次級環流則略弱于基礎工況的次級環流(圖5b)。因此，在使用全場統一的曼寧粗糙度系數后，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的模型來進行仿真計算。計算表明，采用恒定水平渦流粘度模型時結果比水平渦流粘度約為0.01 m2/s的Smagorinsky格式略高。高粘度系數的使用削弱了港口入口處的射流(圖6a)。隨著時間演進，次級渦旋產生，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。然而，隨著時間演進，主渦旋最終消失，流動方向最終與ADCP的測量結果相同(圖6d)。

06 研究結論

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。經過對比驗證，水動力模型的計算結果與ADCP的實際測量結果吻合度高。當一個強入流輸入港口，在高水位到達前會形成一個強射流，該射流將產生一個順時針旋轉的主渦旋和一個逆時針旋轉的次級渦旋，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致港口內出現不同數量的渦。

07 小結

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模型來對澤布魯日港港口由于潮汐產生的渦流進行了仿真計算，并與ADCP的實際測量結果進行了對比。IMDC的研究表明，三維水動力的仿真計算結果具有相當高的準確性和可靠性，可以服務于港口處產生的渦旋對港口淤積的影響研究。

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