带有输沙的EFDC+螺旋桨洗涤模块的试验程序

导言

DSI正在不断地为EFDC+和EFDC_Explorer建模系统(EEM)开发新的特性。作为此开发过程的一部分，DSI在内部反复测试新特性以回答以下问题：

• 概念模型是否科学合理？
• 算法是否适当地用于表示概念模型？
• 新算法的计算机代码写得正确吗？
• 新的特征能有效地再现真实的现象吗？

在我们的螺旋桨清洗博客系列，我们已经分享了螺旋桨清洗模拟功能的细节，将很快在即将推出的EEM版本。本文介绍了一个简单的测试过程，以演示螺旋桨清洗模块是如何与EFDC+的输沙过程建模特性相结合的。

博客系列

测试模型建立

图1说明了在本演示中使用的合成水槽的尺寸(L3.5m×W1m)，以及所使用的泥沙床和螺旋桨装置。水槽底面高度均匀，水深为0.48m，底泥床厚度为0.1m，由直径为100 m(无粘性颗粒)的细砂组成。沉积物的物理性质和侵蚀性质被设置为水平和垂直均匀。四叶螺旋桨直径为0.1m，螺距比为1.4，叶面积比为0.4，推力系数为0.51。传动轴位于底泥床面上方0.19米处。这次演示的总模拟时间为30分钟。在模拟过程中，螺旋桨以1000转/分运行，在螺旋桨停止工作后的10分钟内，再悬浮粒子重新沉积在沉积物床上。

测试特征

在30分钟的模型模拟之后，在螺旋桨下面形成了一个浅孔，最大冲刷发生在距螺旋桨大约1米远的地方(图2)。深色网格显示海拔较低的区域(孔洞)，浅色网格显示海拔较高的区域。螺旋桨从周围沉积的冲刷孔中侵蚀出来的沉积物。

该演示还检查了以下部件，以评估模拟结果是否很好地反映了螺旋桨动力引起的泥沙输送过程。

• 泥沙质量平衡：：表1比较了模拟开始和结束之间每一层沉积物的质量(编号为12层为最上层，第1层为最深层)。该表没有显示在这里的水层沉积物质量，因为在模拟结束时，没有悬浮物残留在水柱中。结果表明，在模拟过程中，系统内的总泥沙质量是守恒的。

表1.模拟开始和结束时的沉积物质量(千克)。

• 床层厚度：图3显示了在最大冲刷发生的单元模拟过程中河床高程和沉积物层厚度的变化。时间序列图表明，在模拟过程中，河床高程与总泥沙床厚度相匹配。此外，我们还可以检查沉积物层的垂直行为，而泥沙床是如何被冲刷由于螺旋桨的作用。

• 侵蚀速率：EFDC+根据每个螺旋桨的独立拉格朗日子网格计算螺旋桨诱导的速度场、剪应力和侵蚀率。图4显示了在特定时间步骤中计算的剪应力与侵蚀速率之间的关系(t=5分钟)，基于子网格点。我们可以证实，当水流剪切超过0.154 N/m时，泥沙侵蚀就开始了。²随着外加剪应力的增加，侵蚀速率逐渐增大。这一关系与van Rijn方程(1984 a、1984 b和1984 c)对直径为100 m的泥沙颗粒的关系是一致的。

• 冲刷深度剖面：图5说明了螺旋桨诱导冲刷剖面的一般概念，该概念可分为螺旋桨下面的一个小冲刷孔(A区)、主冲刷孔(B区)和沉积沙丘(C区)。图6显示模拟的床层高程的纵向剖面与螺旋桨轴成正比，这一图表明该模型可以合理地再现这三个指示区域。

进一步建议

上面所描述的演示是螺旋桨洗涤模块测试的基本水平，进一步的研究可以如下所示。

如果有测量数据集，我们就可以定量地评价模型的性能。特别是，许多研究人员进行了水槽试验，以提出螺旋桨诱导冲刷剖面的经验公式.因此，我们可以利用这些已公布的数据集(例如，A区和B区的最大冲刷深度和位置、最大沉积高度和C区的位置)来评价模型的性能。对于这种分析，有必要建立一个与给定的水槽实验条件相对应的模型模拟装置。此外，必须确定若干水动力和泥沙运输参数(有关报告中可能没有提供这些参数)。

还应利用各种沉积物特性和螺旋桨装置进行示范。在泥沙性质方面，我们可以对其他大小的沉积物、粘性和非粘性颗粒的混合物、空间变化的床高、垂直和水平变化的床层的物理和侵蚀特性进行模型研究。

对于螺旋桨的设置，可以考察螺旋桨的数量、螺旋桨叶片数、螺旋桨直径、桨毂直径、桨距、桨面积比、螺距比、导管螺旋桨数、推力系数等对螺旋桨性能的影响。同样值得探讨的是，在不同的螺旋桨作用下，例如在固定位置的螺旋桨和恒定功率的螺旋桨，在固定位置的螺旋桨具有不同的功率，运动的螺旋桨具有恒定的功率，运动的螺旋桨具有不同的功率，这样的场景可以更真实地描述船舶的运动。

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参考文献

范·里恩。“泥沙输送，第一部分：推移质运输”。在：水利工程学报110.10(1984年a)，第1431-1456页。

范·里恩。“泥沙运输，第二部分：悬浮负荷运输”。在：水利工程学报110.11(1984年b)，第1613-1641页。

范·里恩。“泥沙输送，第三部分：河床形态和冲积层的不平度”。在：水利工程学报110.12(1984年c)，第1733-1754页。