单圆柱桥墩绕流紊动特性试验研究

论文摘要

圆柱绕流是一个经典的流体力学问题,它广泛存在于水利工程、建筑工程、高空电缆、远洋钻井等科学研究和工程技术领域,如桥梁工程中的桥墩局部冲刷、桥墩开挖基坑围堰的防护等问题,要较好的解决这些问题,必须对圆柱桥墩局部水力绕流特性有详尽的了解。长期以来,国内外许多学者和科技工作者对圆柱桥墩绕流问题进行了大量的模型试验和数值模拟的研究,并取得了一系列的研究成果,但是由于圆柱桥墩局部水力绕流情况十分复杂,影响因素众多,至今人们对圆柱绕流水流结构的研究还不完善,现有的资料还不能对圆柱桥墩绕流机理进行圆满的论述,因此,继续进行这方面的研究是十分必要的。本论文采用室内模型试验的方法,在不同水流条件下对0.05m、0.10m、0.15m和0.20m四种直径圆柱的紊动特性进行了试验研究。试验采用超声波流速仪Vectrino量测了不同断面、不同垂线、不同测点的三维瞬时流速,运用统计学原理和紊流力学知识计算了沿水流方向和断面上各垂线测点的三维脉动流速、紊动强度、时均流速和雷诺应力等紊动要素,并分析其变化特征。最后,测量了圆柱桥墩周围的局部最大冲刷深度,分析其与直径、流量之间的关系。流速资料表明,圆柱周围各个测点流速的脉动过程基本类似,纵向、横向、垂向脉动流速的概率分布基本符合正态分布。根据实测资料统计的流速概率分布与理论正态计算的概率分布相比得出:圆柱周围水流紊动较为剧烈的区域其曲线吻合程度较差,水流较为平稳的区域其吻合程度相对较好;自由紊流区吻合程度较好,近壁强剪切区吻合程度较差。另外,还计算并分析了同一流量不同直径下和同一直径不同流量下纵向、横向、垂向紊动强度、时均流速、雷诺应力沿水流方向和断面的分布规律。最后,通过分析局部最大冲刷深度实测资料得出,流量一定的情况下,局部最大冲刷深度随圆柱直径的增大呈抛物线趋势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 圆柱桥墩绕流的研究现状
• 1.2.1 单圆柱桥墩绕流的研究成果
• 1.2.2 双圆柱绕流及多圆柱体绕流的研究成果
• 1.3 圆柱桥墩局部冲刷的研究
• 1.3.1 圆柱桥墩绕流冲刷的机理
• 1.3.2 圆柱桥墩局部冲刷研究现状
• 1.4 研究的方法
• 1.5 研究内容
• 第二章 单圆柱桥墩绕流水力模型试验设计
• 2.1 水槽试验设计
• 2.2 试验仪器与设备
• 2.3 试验方案设计
• 2.4 试验步骤
• 第三章 单圆柱桥墩绕流紊动特性试验研究
• 3.1 脉动流速的概率分布
• 3.2 水流紊动强度的分布
• 3.2.1 流量一定，不同直径下的紊动强度沿x 轴的分布
• 3.2.2 直径一定，不同流量下紊动强度沿x 轴的分布
• 3.2.3 水流紊动强度沿断面的分布
• 3.3 时均流速的分布
• 3.3.1 流量一定，不同直径下的时均流速沿x 轴的分布
• 3.3.2 直径一定，不同流量下的时均流速沿x 轴的分布
• 3.3.3 时均流速沿断面的分布
• 3.4 雷诺应力的分布
• 3.4.1 流量一定，不同直径下雷诺切应力沿x 轴的分布
• 3.4.2 直径一定，不同流量下雷诺切应力沿x 轴的分布
• 3.4.3 雷诺切应力沿断面的分布
• 第四章 圆柱桥墩局部最大冲刷深度试验研究
• 4.1 局部冲刷地形的观测
• 4.2 局部最大冲刷深度分布拟合
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简介