直立圆柱周围流场与局部冲刷的数值模拟方法研究

摘要

当桩柱置于水流中时，它的存在将改变其附近的水流结构，使得桩柱周围湍动加强，在桩柱周围产生尺度较大的漩涡体系，漩涡的中心形成负压吸起床面的泥沙带入下游，引起圆柱周围床面的冲刷。冲刷对结构物的稳定性将造成巨大的威胁，有关水中结构物冲刷的防护和维修的费用是非常高的。本文基于这一背景，采用数值计算的方法分析了桩柱流场运动情况，并采用两相流模型初步地模拟了桩柱周围的局部冲刷情况。 冲刷过程与流动情况和底床床面的性质有直接的联系，因此要用数值方法重现整个冲刷过程，首先要能够较好地模拟圆柱周围复杂的流场。 圆柱绕流问题已经有很多年的研究历史了，但是考虑湍流模型和自由面对流场影响的文献不多。本文对流场的计算分为两个部分：湍流模型的比较和Fr数对自由面形态的影响，并将计算结果与实验进行了对比。两相流模型是目前泥沙研究的一个热点方向，本文对局部冲刷的模拟基于Euler两相流模型，模型中考虑相间拖曳力、重力和泥沙颗粒之间的碰撞，并将计算结果与前人实验进行了对比分析。