山区河流桥墩紊流宽度确定及横流取值研究

摘要

山区通航河流上建设桥梁理想状态是采用“一跨过江”，但由于经济、技术的限制，桥梁建设往往不能完全按照此要求修建。大型桥墩立于水中，对天然的水流产生干扰，并影响到航道的水动力特性以及泥沙运动特性，对桥区水域的河床演变及航道稳定产生影响，使得桥墩附近产生不安全的紊流区域。目前已有的桥墩紊流的研究成果，基本是在低雷诺数或亚临界雷诺数条件下进行的，而实际山区河流中的桥墩绕流几乎是处于超临界雷诺数范围内。此外，对弯曲河道中的桥墩紊流计算公式尚未涉及，水流夹角和横流大小与通航净宽密切相关，但《内河通航标准》未明确在何种桥区范围内进行横流取值。因此，在超临界雷诺数条件下和考虑河道曲率半径影响的桥墩紊流以及桥区河段横流取值的合理范围还有待于进一步研究。
　　本文针对山区河流，研究不同来流、墩型及河型条件下的桥墩紊流宽度及桥区横流取值的合理研究范围。在超临界雷诺数条件下，采用格子Boltzmann方法模拟桥墩三维紊流流场，并结合大涡模拟和运动边界处理方法，分析不同来流、墩型、河型等条件下的桥墩三维紊流宽度，由此建立了顺直河道和弯曲河道中圆形和方形桥墩相对紊流宽度与弗劳德数之间耦合关系。以船舶操纵运动数学模型为研究手段，针对不同弯曲半径和不同中心线表面平均流速的概化河道，直接考察桥区横流对船舶航行的影响特性，得出了不同弯道中心线表面平均流速下横流取值的桥区合理范围与河道弯曲半径、船舶长度之间耦合关系，并据此作出了横流取值的桥区合理范围与弯曲半径、水流流速以及船舶长度间关系图谱。
　　基于横流取值的桥区合理范围以及桥墩紊流宽度的相关成果，本文提出了相应的桥梁净宽计算方法，并将该计算方法应用于典型山区通航河流上桥梁建设项目中，如沱江邓家坝大桥、沱江麻柳坝大桥等实际桥梁工程。通过对比发现，采用本项研究计算方法得出的桥梁净宽值与“内标”计算结果较为接近，但略小于“内标”计算值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容和方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法和技术路线

第二章 桥墩三维紊流数值模拟

2．1 数值计算原理及其方法

2．1．1 格子Boltzmann方法和BGK方程

2．1．2 从BGK方程到宏观方程的推导

2．1．3 格子Boltzmann方法的模型

2．1．4 格子Boltzmann方法中的简单边界处理

2．1．5 格子Boltzmann方法程序设计

2．2 数学模型验证

2．3 顺直河道中的桥墩三维紊流模拟

2．3．1 物理模型

2．3．2 计算工况

2．3．3 圆形桥墩周围紊流模拟结果

2．3．4 方形桥墩周围紊流模拟结果

2．4 弯曲河道中的桥墩三维紊流模拟

2．4．1 物理模型

2．4．2 计算工况

2．4．3 圆形桥墩周围紊流模拟结果

2．4．4 方形桥墩周围紊流模拟结果

2．5 小结

第三章 横流取值的桥区合理范围研究

3．1 平面二维水流数学模型

3．1．1 控制方程

3．1．2 求解方法

3．1．3 边界条件处理方法

3．2 船舶数学模型

3．2．1 基本原理

3．2．2 船舶运动方程

3．2．3 水动力表达式

3．2．4 螺旋桨纵向力

3．2．5 舵力及其力矩

3．2．6 船舶操纵运动方程的求解

3．2．7 船舶位置确定

3．2．8 船舶操纵运动数学模型的验证

3．3 概化弯曲河段参数

3．3．1 船舶特性

3．3．2 河道条件

3．3．3 水流条件

3．3．4 桥梁条件

3．4 横流取值的桥区合理范围选取标准

3．5 船舶操纵运动计算工况

3．6 成果分析

3．6．1 弯曲半径R=4L的情况

3．6．2 弯曲半径R=5L的情况

3．6．3 弯曲半径R=6L的情况

3．6．4 弯曲半径R=7L的情况

3．6．5 弯曲半径R=8L的情况

3．6．6 横流取值的桥区研究范围

3．7 小结

第四章 桥梁通航净宽计算方法研究

4．1 通航净宽计算方法

4．2 实例应用

4．2．1 实例工程一

4．2．2 实例工程二

4．3 小结

5．1 主要研究结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果