过江沉管隧道基槽水流特性试验研究与数值模拟

摘要

水下隧道的建设不会影响船舶通航,因而对于航运要求较高、航运密度较大的平原河流来说,建设水下隧道来代替桥梁具有明显的优势。 水下隧道大多是采用埋设过江沉管或过江涵管的形式,这需要在天然河道内进行横向挖槽。当基槽挖深相对较大而底部宽度相对较小时,极易在基槽底部附近形成水平轴环流,从而影响河段的局部输沙能力,破坏基槽内的泥沙冲淤平衡。基槽开挖后,基槽处的水深加大,水流挟沙力显著降低,当泥沙进入基槽后,部分泥沙就会淤积在基槽内,从而影响沉管的埋设。因而研究在水平轴环流作用下基槽内的水流泥沙运动特性,分析泥沙的冲淤规律,对水下隧道工程的建设具有一定的指导意义和工程应用价值。 目前为止,基槽水流泥沙的运动特性没有系统的研究成果,有必要对其做进一步的研究。本文对基槽水流泥沙进行了试验研究和数值模拟,主要研究内容如下： 对基槽内水流结构进行了定床水流试验研究。利用三维声学多普勒流速仪(ADV)量测不同位置、不同流量下的流场,分析了底宽、坡度、水流条件对时均流速、紊动强度沿垂线分布的影响,并分析了不同因素对泥沙运动的影响。 对基槽变形进行了水流动床试验研究,得到了基槽内的冲淤变化情况。结合水流结构的研究成果,分析基槽水流对基槽各部分冲淤变形的影响。 利用计算流体力学软件FLUENT对基槽内的水流结构进行了垂向二维数值模拟。通过比较各种追踪自由液面的方法,选择有限体积法(VOF方法)来模拟自由水面,并与k-ε紊流模型耦合建立过江沉管隧道基槽的水气二相流数学模型。在求解过程中局部加密基槽内部的网格；采用了SIMPLEC算法进行计算。数值模拟计算结果与物理模型结果吻合较好,为应用fluent软件继续深入研究基槽水力特性提供了合理的参考依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究目的和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1基槽水流的形成

1.2.2基槽水流泥沙特性的研究现状

1.3研究内容和研究方法

1.3.1研究内容

1.3.2研究方法

第二章模型试验及数值模拟理论

2.1模型试验理论

2.2数值模拟理论

2.2.1紊流的数值模拟

2.2.2自由面追踪

2.2.3 SIMPLEC

2.3本章小结

第三章基槽定床水流模型试验研究

3.1模型概况和试验仪器

3.1.1模型设计及制作

3.1.2试验仪器

3.2试验方案和试验方法

3.2.1试验方案

3.2.2流速采集断面的布置

3.2.3试验数据处理

3.3试验结果分析

3.3.1水面流速的沿程变化规律

3.3.2基槽底部的流速变化

3.3.3时均流速的垂线分布规律

3.3.4基槽内的紊动场

3.4本章小结

第四章基槽动床水流模型试验研究

4.1研究目的和意义

4.2试验设计

4.2.1模型沙的选择

4.2.3模型设计与制作

4.3试验结果分析

4.4本章小结

第五章基槽内流场的数值模拟

5.1计算软件FLUENT概况

5.2基槽垂向二维流场的数值模拟

5.2.1建立模型

5.2.2网格划分

5.2.3边界条件

5.3数值模拟与模型试验结果的对比

5.3.1流速分布

5.3.2基槽内的流场

5.3.3紊动强度分布

5.4本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士/硕士学位期间取得的研究成果

致 谢