连续布置桥墩周围水流特性研究

论文摘要

桥墩周围的水流特性是确定桥区通航水流条件、跨河建筑物通航净宽尺度的重点研究问题,特别是近年来随着交通运输的快速发展,航道等级越来越高,跨河建筑物越来越密集,水流条件更加复杂,不可避免的产生了影响通航安全的新问题。目前对桥区通航安全问题的研究大多集中在以单个桥墩为研究对象,对单个桥墩周围的水流特性和紊流宽度的研究,然而对连续布置桥墩的情况却研究较少。本文主要工作是针对圆头端矩形桥墩周围的水流特性及紊动强度进行观测分析,并采用数学模型对其非稳态瞬时流场进行模拟,讨论沿水流方向连续布置圆头墩的情况下,相关水力特性与单墩的区别,深入分析桥墩之间的间距、桥前行进流速与水深对桥墩绕流水流结构和紊流强度的影响,得到以下主要结论:(1)桥墩墩尾周期性脱落的尾涡是引起两侧水流紊动的主要因素之一,越靠近尾涡区域紊动能越大、时均流速越小、脉动流速概率分布曲线越平坦且与正态分布差别越大,说明紊流区内水流脉动强度大,流态紊乱;(2)随着流速的增大,紊流强度与宽度均相应增大。连续布置两座桥墩情况下,桥墩间距L与桥墩直径D比值L/D<6时,随着间距的减小,墩尾尾流紊动强度和宽度迅速增大,间距L/D>6时,随着间距的减小,墩尾尾流紊动强度和宽度变化较小;(3)将紊动强度开始增大的测点作为紊流宽度的临界点,单墩时桥墩墩壁一侧紊流宽度为0.5～1.0D,双墩时为1.0～2.5D。而对于数模结果,将墩尾横断面流速变化大于1cm/s的区域作为桥墩周围紊流影响范围,所得结果与物理模型试验吻合较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 论文研究的主要目的及意义
• 1.3 桥墩周围水流特性及紊流宽度国内外研究现状
• 1.4 论文主要工作
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 第二章 物理模型试验设计
• 2.1 试验目的和方法
• 2.2 物理模型设计
• 2.2.1 模型相似比尺设计
• 2.2.2 模型平面布置
• 2.2.3 试验设备
• 2.3 试验方案设计
• 第三章 连续桥墩周围紊流特性分析
• 3.1 单个桥墩的水流特性
• 3.1.1 紊动强度分布规律
• 3.1.2 时均流速变化规律
• 3.1.3 脉动流速变化规律
• 3.2 双桥墩连续布置时周围水流特性
• 3.2.1 紊动强度分布规律
• 3.2.2 时均流速变化规律
• 3.2.3 脉动流速变化规律
• 3.3 桥墩周围紊流宽度分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 桥墩绕流数学模型建立
• 4.1 柱体绕流问题研究现状
• 4.2 紊流运动的控制方程及数值方法
• 4.2.1 控制方程
• 4.2.2 离散化方法及解法
• 4.3 桥墩绕流紊流模型的建立
• 4.3.1 模型边界及初始条件
• 4.3.2 网格的划分
• 4.3.3 数值模拟结果验证
• 第五章 桥墩绕流特性数值模拟研究
• 5.1 单个桥墩绕流模型计算成果分析
• 5.1.1 桥墩绕流三维特性分析
• 5.1.2 瞬时流场变化规律
• 5.2 双桥墩绕流模型计算成果分析
• 5.2.1 自由液面变化
• 5.2.2 两座桥墩布置条件下绕流流态分析
• 5.2.3 瞬时流场变化规律
• 5.3 数值模拟确定桥墩紊流宽度的探讨
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表论文目录
• 附录B 攻读学位期间从事科研项目目录
• 中英文长摘要