山区河道圆柱桥墩的阻水特性研究

论文摘要

桥墩是桥梁影响水流的主要因素,桥墩阻水的客观表现为河道中水流的壅高。由于桥孔约束水流,使桥下流速增大,上游水面壅高,下游水面降低,桥渡上下游形成较大的水面高差,在洪水期间将会对两岸堤防和桥渡自身安全造成威胁。对于山区河道而言,桥墩上游水面的壅水高度和墩前冲高也会对桥梁的桥下净空及河岸路堤的修筑高度等产生关键的影响。本文采用数值计算的方法对桥墩的壅水及冲高等进行了分析计算。先计算无桥状态下的河道水流,并计算相同来流条件下建桥后的河道水流,壅水值即为在相同来流条件下有桥时的水位减去无桥时的水位。应用FLUENT软件建立三维水槽数值模型,通过有限体积法（Finite Volume Method,简称FVM）对控制方程进行离散,采用SIMPLE算法并耦合标准k-ε紊流模型求解三维N-S方程组,最后利用两相流VOF（Volume of Fluid）模型追踪自由表面,从而模拟单个桥墩、单排正交桥墩及斜交桥墩周围流场的变化,得到如下相关规律及结论:（1）选用标准k-ε湍流模型,应用VOF法追踪自由水面可以有效得到水槽数值流场及水面线。（2）随着来流量的增大,斜激波环与水流方向夹角逐渐减小,水流方向与波环线法线方向的夹角θ随水流佛汝德数Fr的增大而增大,θ介于21°～55°之间,对于中大洪水而言,θ介于48°～55°之间,该角度范围属于最不利的角度范围,在斜交桥设计时,应尽可能避免以这个角度范围与河道斜交。（3）随着斜交角度的不断增大,墩前冲击高度先增大后减小,在α介于50°～60°之间时往往取得最大值;在斜交桥第一个桥墩前,壅水高度随斜交角度的增大而不断增大,而从第二个桥墩起,墩前的壅水高度均随着斜交角度的增加表现出先减小后增大的趋势,最小值介于45°～55°之间。（4）随着斜交角度的不断增大,桥下水流流向偏转角度γ先增大后减小,在斜交角度为50°左右时往往取得最大值,且此时桥下水流流向发生偏转最大,桥下过流能力明显增大,桥前壅水降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 桥墩阻水特性简介
• 1.2 桥墩壅水高度及冲高的概念和研究意义
• 1.2.1 壅水及冲高概念
• 1.2.2 壅水及冲高的研究目的和意义
• 1.3 国内外的研究现状
• 1.3.1 壅水经验公式及物理模型试验的研究
• 1.3.2 壅水数值模拟的研究
• 1.4 本论文的主要工作及内容
• 第二章 紊流基本理论及FLUENT 软件介绍
• 2.1 紊流数值模拟方法简介
• 2.1.1 直接数值模拟（DNS）
• 2.1.2 大涡模拟（LES）
• 2.1.3 Reynolds 平均法（RANS）
• 2.2 方程离散方法
• 2.3 流场数值计算方法
• 2.4 自由液面追踪方法
• 2.5 FLUENT 软件简介
• 2.5.1 FLUENT 软件的求解步骤
• 2.5.2 FLUENT 软件求解方法的选择
• 2.6 本章小结
• 第三章 壅水及冲高的数值计算
• 3.1 计算方案及模型网格划分
• 3.1.1 计算方案
• 3.1.2 网格划分
• 3.2 边界条件设定
• 3.3 数学模型验证
• 3.4 单个圆形桥墩流场计算结果分析
• 3.4.1 单个桥墩前水流冲击高度
• 3.4.2 单个桥墩扰流宽度
• 3.4.3 斜激波环与水流Froude 数之间的关系
• 3.5 单排桥墩流场计算结果分析
• 3.5.1 斜交桥桥墩周围流场分析
• 3.5.2 壅水及冲高分析
• 3.5.3 桥前壅水范围分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 流向偏转角对斜交桥前壅水的影响分析
• 4.1 水流流向偏转角度及桥下过水面积分析
• 4.2 流向偏转角度计算结果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文的主要研究成果
• 5.2 展望及建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介