桥墩处流场模型研究及在航海模拟器中的应用

论文摘要

随着沿海经济的发展和近岸岛屿的开发和利用,越来越多的跨江（海）大桥开始大量兴建。在桥梁建设前,从多方面对工程方案进行精细的论证是必不可少的,加上我国航海模拟器发展技术的日趋成熟,利用航海模拟器进行大桥通航状况的模拟试验对工程方案进行进一步的论证必将成为一种趋势。因此,研究桥墩处流场模型,并将其应用到航海模拟器的评估论证中将具有十分重要的价值。目前,关于桥墩处流场数模的研究尚不多见,关于桥墩问题在数值模拟中多对桥墩进行概化。本文则是从水动力数值模拟这一大的角度入手,主要对现阶段应用较为广泛的数值模式进行初步的研究,建立了大范围并适用于桥墩处流场的数值模型。该模型是基于三角形网格、有限体积法、显式差分求解海洋运动浅水方程,突出了三角形网格拟合复杂边界的优点。同时采用了加密网格法对桥墩周围水域进行局部加密,来更好的拟合桥墩形状、减少计算时间和提高计算精度。最后在Visuall C++集成开发环境下实现了研究水域的数值运算和流场显示。通过数值计算及对计算结果的比较分析得出,墩柱的存在增加了桥位水域的阻力并减小了过水断面,产生了明显的绕流现象,随着来流速度的增大,绕流现象更加明显,流场的改变仅限于墩柱周围,对远离桥墩处几乎没有影响。并将实际工程方案的流场模拟结果应用到航海模拟器中,进行了船舶操纵的模拟试验,结果表明桥墩周围流场对船舶的航行安全造成一定的影响,但影响只限于桥墩局部,对远离桥墩处几乎没有影响。总的来说,该模型基本上能很好的模拟出桥墩周围的流场变化,但从水流的三维结构上考虑,还需对其进行进一步的完善,来提高结果的精确度,进而满足利用航海模拟器进行跨江（海）大桥通航评估模拟试验所需的精度要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文背景及研究意义
• 1.2 研究现状概述
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题的主要工作
• 1.4 论文的组织与安排
• 第2章 桥墩绕流数值模拟及模型选取
• 2.1 水流数值模拟
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 数值模拟的优缺点
• 2.1.3 数值模拟的基本步骤
• 2.2 数值模拟中常用的离散方法
• 2.2.1 有限差分法
• 2.2.2 有限单元法
• 2.2.3 有限体积法
• 2.3 桥墩概化
• 2.3.1 加密网格法
• 2.3.2 局部地形修正法
• 2.3.3 局部糙率修正法
• 2.3.4 附加阻力法
• 2.4 模型选取
• 2.5 小结
• 第3章 数值模型
• 3.1 模式方程
• 3.1.1 原始方程组
• 3.1.2 σ坐标下的控制方程
• 3.1.3 二维（垂向平均）方程组
• 3.2 三角形网格的设计
• 3.3 方程的数值离散过程
• 3.4 模型的闭合
• 3.4.1 初始条件的确定
• 3.4.2 边界条件的确定
• 3.5 干湿处理技术
• 3.6 小结
• 第4章 模型使用及验证
• 4.1 模型计算水域的网格生成
• 4.1.1 网格生成方法及流程
• 4.1.2 网格局部加密技术
• 4.2 输入文件
• 4.3 程序运行及文件输出
• 4.4 数值试验和模型验证
• 4.5 小结
• 第5章 模型在航海模拟器中的应用
• 5.1 桥梁工程水域流场模拟
• 5.1.1 模拟水域简介
• 5.1.2 网格划分及模型参数设置
• 5.1.3 数值模拟结果与分析
• 5.2 模型在航海模拟器中的应用研究
• 5.2.1 船舶操纵模拟试验
• 5.2.2 流场数据应用于航海模拟器中的其它方法
• 5.3 模型存在问题及改进方法
• 5.4 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 今后工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历