桥墩局部冲刷坑发展中的三维紊流场研究

摘要

桥梁墩台局部冲刷是导致跨江桥梁破坏的主要原因之一，局部冲刷深度与冲刷坑形态的正确预测，是桥梁合理设计与安全运营的重要保障。由于墩周局部冲刷坑内水流结构复杂，泥沙输运理论不完善以及坑内泥沙随机崩塌等问题，现有水沙耦合计算模型不能准确地模拟出局部冲刷坑的演变过程，故本文通过实验室试验和数值计算研究了圆柱型桥墩周围局部冲刷过程中墩周水流的变化，主要工作如下:
　　(1)介绍了国内外因桥墩台局部冲刷而发生的桥梁水毁事件，结合局部冲刷的研究现状，论述了局部冲刷发展过程中墩周流场变化对局部冲刷机理研究的重要性。
　　(2)基于计算流体力学原理，应用Fluent中的RNGk-ε湍流模型，经适当的壁面处理，对圆柱型桥墩局部冲刷发展过程中复杂的三维流场进行了数值模拟。
　　(3)通过平床条件下试验测量得到的墩周流速对数值模型结果准确性进行了验证，两者结果的一致性证明了本文方法的有效性。同时，本文对平床条件下墩周复杂的水流进行了分析，其中数值模拟能很好地模拟出墩周的水流结构。
　　(4)以实测圆柱型桥墩冲刷过程中不同时刻下的冲刷坑形态为边界条件建立相应数值模型，其模拟结果揭示了墩周水流流速、床面切应力、涡量和紊动能随冲刷过程的变化规律。
　　(5)根据局部冲刷试验与不同时刻下墩周水流紊流场的分布情况，分析结果表明了墩周马蹄涡系，加速水流及尾涡是引起局部冲刷的主要动力因素。在冲刷初期，墩侧加速水流对桥墩局部冲刷起主导作用;随着冲刷的发展，马蹄涡系对冲刷的影响作用增大，与墩侧加速水流作用相当;而墩后水流一直都处于尾涡回流区，流速较小，但其紊动性较强，墩后床面泥沙冲刷主要受到尾涡和水流紊动的共同作用。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究的现状及意义

1．2．1 桥墩局部冲刷的研究方法

1．2．2 桥墩局部冲刷的研究现状

1．2．3 本文的研究意义

1．3 本文研究的主要内容及方法

1．3．1 本文研究内容

1．3．2 本文的研究方法

2 圆柱绕流数学模型和数值方法

2．1 概述

2．2 数学模型

2．2．1 控制方程

2．2．2 湍流数值模拟方法及相应的湍流模型

2．3 壁面处理

2．4 数值求解方法

2．5 本章小结

3 局部冲刷试验观测

3．1 试验研究内容

3．2 试验仪器设备简介

3．2．1 试验水槽

3．2．2 流量控制系统

3．2．3 测量仪器及相关参数

3．3 试验设计

3．3．1 平床条件下试验设计

3．3．2 冲刷坑形态测量试验设计

3．4 试验步骤

3．5 局部冲刷试验结果

3．5．1 桥墩周围水流观测结果

3．5．2 冲刷坑地形观测结果

3．6 本章小结

4 平床条件下圆柱型桥墩周围流场

4．1 模型建立

4．1．1 边界条件

4．1．2 计算域确定

4．1．3 网格划分

4．2 数值计算结果与试验实测结果对比分析

4．2．1 墩周水流结构

4．2．2 数值模拟与试验墩周流速结果对比

4．2．3 床面切应力分布

4．2．4 墩后尾涡演变

4．3 本章小结

5 冲刷坑发展过程中的墩周流场

5．1 冲刷坑深度随时间变化过程

5．2 冲刷坑发展过程中墩周流场变化

5．2．1 流速分布变化

5．2．2 床面切应力变化

5．2．3 涡量的变化

5．2．4 紊动能的变化

5．3 局部冲刷坑发展机理分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历

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