桥墩水流特性大涡模拟研究
港珠澳大桥隔震梁桥海流涡激力特性的数值模拟
港珠澳大桥隔震梁桥海流涡激力特性的数值模拟陈洋洋;谭平;崔杰;黎建峰;周福霖【摘要】采用隔震设计的近海长周期结构，有必要明确其下部结构在可能的海流极端作用下的涡激力周期、幅值等特性参数，以供整体结构动力分析参考。
文章对港珠澳大桥隔震连续梁桥深水区典型单墩及其基础的三维绕流场进行数值模拟，考察了低桩承台方案在海床面位于承台顶（设计工况）、海床面位于承台底、海床冲刷演变至淤泥层全部消失的极端情形等3种典型工况下的绕流场特性，给出墩身受到的潜在涡激力的动力参数以供设计参考。
%It is significant to verify the substructural vortex-excitation properties for the base isolated offshore long-period structure.A numerical simulation study on vortex-excitation property for the substructure of Hong Kong-Zhuhai-Macau Base Isolation Bridge in Abyssal Zone is thus presented.The typical cases for the pile cap, which are submerged,emerged low-rise,and high-rise designs,are studied in details for the project.The vor-tex-excitation properties under different cases are summarized for project design reference.【期刊名称】《广州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(015)001【总页数】9页(P36-44)【关键词】近海桥梁;海流;涡激力;下部结构;隔震【作者】陈洋洋;谭平;崔杰;黎建峰;周福霖【作者单位】广州大学减震控制与结构安全国家重点实验室培育，广东广州510405;广州大学减震控制与结构安全国家重点实验室培育，广东广州 510405;广州大学减震控制与结构安全国家重点实验室培育，广东广州 510405;中山大学力学系，广东广州 510275;广州大学减震控制与结构安全国家重点实验室培育，广东广州 510405【正文语种】中文【中图分类】P315.9港珠澳大桥重大工程跨越珠江口伶仃洋海域，全长约50 km，跨海逾35 km，建成后将成为世界最长跨海大桥，属《国家高速公路网规划》的重要交通建设项目.其海上主体工程采用桥隧组合方案，总长约29.6 km，海底隧道长约6 km，桥梁长约22.9 km，桥梁工程包括3座通航孔桥及深/浅水区非通航孔桥5部分［1］.抗震设防标准以重现期表征，工作状态（E1）为120 a，极限状态（E2）非通航孔桥为600 a、通航孔桥为1 200 a，结构完整性状态（E3）为2 400 a.全桥基础采用大直径钢管复合群桩，通航孔桥采用现浇承台，非通航孔桥采用预制承台，全桥桥墩采用预制墩身.非通航孔桥采用110 m（深水区）和85 m（浅水区）等跨径等梁高钢箱连续梁桥，总体采用隔震设计［2］.对于深水区非通航孔桥，等宽段高墩区采用高阻尼橡胶支座，等宽段低墩区采用铅芯橡胶支座及摩擦摆支座，变宽段采用摩擦摆支座.结构总体设计寿命120 a，除地震等突发性作用以外，还必须考虑结构常年受海流等多种环境作用的影响.以往近海工程设计中对海流力进行细致分析的工作多见于海上平台、管道工程等，对于桥梁工程而言，往往采用等效法等进行估算和静力设计.然而，当深水区重大桥梁工程采用全桥隔震设计以后，有必要研究长周期隔震结构在强地震力、动水压力、波浪力和海流力等诸多工况下的动力学反应.当强震下隔震支座超过屈服点进行隔震耗能工作时，整体结构等效周期被大大延长，此时，以往经验周期较长的海流涡激力周期就可能更加靠近结构共振区，且目前海上隔震结构长期受海流涡激力的影响研究也很不充分，为了定量分析这种不利影响，首先第一步必须明确海流涡激力对下部结构影响的特性.近年来国内外学者和工程师已经针对该问题做了一些基础性工作.例如，CHOI等［3］采用不可压无粘流场数值计算模型对典型桥梁下部结构的桩基进行了三维绕流分析，发现绕流桩背流向在一定流速作用下可能产生卡门涡街并对桩本身形成周期涡激力.GOKHAN等［4］建立类似的数值流场，对深海圆形截面桩在海床面附近的绕流特性进行分析，数值验证了马蹄涡流的产生及其对桩周海床面沉降的不利影响.HUANG等［5］则进一步建立了描述更复杂流动的数值流场，获得桥梁桩基础在绕流涡激力产生到流场演变成湍流形态的复杂过程.YANG等［6］细致比较了不同基础形式对绕流力特性的影响.钟立星等［7］提出近海波动与基础绕流的统一算法，用浅水长波方程计算二维流场，进而用N-S方程进行三维流场分析.邓绍云［8］对桩基绕流阻力特性研究进行了回顾与展望.何国建等［9］建立数值模型对桥墩群对河道水流的影响进行了分析.杨娟等［10］对海上不同结构形式桩基对水流的影响进行了比较分析.总体而言，国内外对海流涡激力对桥梁下部结构影响的基础研究还有待进一步完善.目前，专门针对港珠澳重大跨海工程海流特性的影响分析，国内学者和工程师开展了一些工作，对项目可行性研究和工程设计提供了有力支持.例如，王晨阳等［11］建立了基于无结构网格的港珠澳大桥所在海区平面二维潮流数学模型，并采用潮流数值模拟手段对该海区的潮流动力进行了模拟研究，分析了大桥工程周围海域的潮流动力影响.李文丹等［12］基于TK-2D软件建立了港珠澳大桥工程海区大范围二维潮流泥沙数学模型和大桥工程区附近的小范围局部细化的二维潮流泥沙数学模型，分析了工程海区的潮流悬沙特征，为进一步论证港珠澳大桥建设方案对工程海区的影响奠定了基础.李孟国等［13］根据数值模拟结果，对大桥工程实施后附近海区潮位、流速和潮量变化及水下地形冲淤变化进行了分析.季荣耀等［14］则为了评估港珠澳大桥人工岛建设对周边海区水沙动力环境的影响，建立了整体潮流泥沙物理模型.吴启和等［15］对波流作用下的承台与桩的动力响应进行数值分析，并结合原位试验与动态监测，揭示了承台与桩在波流作用下的动力响应特征，为港珠澳大桥主体工程设计和施工提供参考依据.总体而言，专门针对港珠澳大桥隔震桥梁工程下部结构海流涡激力的细致分析，目前还不多见.本文选取港珠澳大桥深水区隔震连续梁桥的典型下部结构进行流场数值分析，基于Fluent建立三维有限体积网格模型，考察了其采用的低桩承台方案在海床面位于承台顶（设计工况）、海床面位于承台底、海床冲刷演变至淤泥层全部消失的极端情形等3种典型工况下的绕流场特性，给出不利工况下涡激周期力的动力参数以供设计验算参考.根据港珠澳大桥桥区1986～2001年的海文观测资料，桥区海域为不规则半日潮，水位在一个潮周期内变化相对较平缓.实测最高潮位3.52 m，最低潮位-1.32 m，最大潮差3.58 m，最小潮差0.02 m，平均海平面0.54 m；潮流呈现往复流运动形式，具有落潮流速大于涨潮流速，中部海域潮流流速比两边大的特点.涨急时垂线平均流向基本为N向，落急时垂线平均流向基本为S向；实测最大流速2 m·s-1，垂线最大平均流速1.36 m·s-1.分析采用2 m·s-1作为来流流速，并分析45度、横桥向和顺桥向的不同来流角度下的情形，讨论不同下部结构工况.选取九洲非通航隔震连续梁桥深水区典型下部结构为研究对象（见图1），该桥采用埋置式高桩承台形式，深水区分布包括198～214号墩，采用钢管复合桩基础，中风化花岗岩层桩径基本为1.8 m，厚度达20 m左右的黏土和淤泥层中桩径基本为2 m，预制承台总体尺寸为16.8 m×11.8 m×5 m（高），普遍采用钢筋混凝土薄壁双室预制墩，墩身截面总体尺寸约为11 m×4 m，其中203和210号墩墩顶高程达到36.652 m.基于Fluent通用软件平台设置由预制单墩、预制承台和钢管复合桩组成的绕流几何边界，实现整体三维流场的CFD数值分析模型的建立，在感兴趣的墩身及下部结构处网格剖分基本尺度为0.5 m×0.5 m（见图2），越远离墩身及其下部结构的流场网格越粗略，以节省计算资源，总体有限体积数值分析网格数约为499 992个（见图3）.采用三维不可压假设，流体连续性方程和动量方程分别由方程（1）和方程（2）所示.其中xi为坐标分量，ui为速度分量，ρ为海水密度，t为时间，p为静压，μ为黏度，Si为流体动量源.利用Fluent基于有限体积数值算法开发的Segregated Solver求解器进行求解，分别设置墩身和海床面为固壁模型，并设置来流入射面和流出面（见图4）.为了考察典型状态下的涡激力特性，分别设置了45°、横桥向和顺桥向的来流入射角度，并针对典型下部结构形式（图5），具体分析如下工况：工况1：海床面位于承台顶（设计方案，高程-5.5 m处）；工况2：海床面冲刷演变至位于承台底（高程-10.5 m处）；工况3：海床面冲刷演变至淤泥层全部消失（高程-20 m处）的极端情况.在以上工况分析和模型建立基础上，对上述3个工况下3种不同来流入射角度进行数值流场计算，对墩身及其下部结构所有网格节点的合力时程进行处理分析，下面给出不同工况下的时程分析结果.3.1 海床面位于承台顶（设计方案，高程-5.5 m处）时的绕流力特性当海床面位于承台顶时，由于承台基本埋置于海床面以下，此时绕流场主要受墩身扰流影响，浸没段墩身基本呈长方形柱体，计算结果流线相对规律.无论2 m· s-1速度的来流从45°、顺桥向还是横桥向入射，在墩身后方皆出现稳定的卡门涡街，且漩涡距离桥墩背面很近，漩涡中心正是压强最低区域，因而墩身背面受到很大的负压，桥墩受力相对较大，墩身合力大小和合力角度都呈明显的周期性特性. 45°来流作用下，墩身合力均值约为500 kN，呈周期性，振幅约为230 kN，合力方向与顺桥向夹角呈+5°至+53°间的周期性变化，周期约为31.3 s.图6分别给出了该计算工况下流线分布、速度矢量剖视、合力大小时程和合力角时程.顺桥向来流作用下，墩身合力均值约为580 kN，呈周期性，振幅约为90 kN，合力方向与顺桥向夹角呈± 20°的周期性变化，周期约为35 s.图7分别给出了该计算工况下流线分布、速度矢量剖视、合力大小时程和合力角时程.横桥向来流作用下，墩身合力均值约为71 kN，呈周期性，振幅约为3.5 kN，合力方向与顺桥向夹角呈±15°变化，周期约为14 s.图8分别给出了该计算工况下流线分布、速度矢量剖视、合力大小时程和合力角时程.相比而言，该工况下，45°来流造成的合力振幅最大，顺桥向来流造成的合力均值最大，而横桥向来流产生的合力均值和振幅均相对较小.3.2 海床面冲刷演变至位于承台底（高程-10.5 m处）时的绕流力特性当海床面位于承台底时，由于承台基本暴露于海床面以上，此时绕流场除了受墩身扰流影响之外，也受承台扰流影响，浸没段墩身和承台构成上下叠加的双柱体，使得流线相对变得复杂.无论2 m·s-1速度的来流从45°、顺桥向还是横桥向入射，在墩身后方皆形成2个漩涡，1个靠上部，1个靠下部.桥墩后面靠上部的漩涡主要是由桥墩引起，靠下部的漩涡主要是由承台引起，两者相互干扰，同样在墩身和承台背流面形成明显负压.相对于工况一来说，下部结构所受合力虽然同样呈现周期性，但是振幅并不稳定，漩涡离桥墩较远.45°来流作用下，墩身合力均值约为630 kN，在590 kN到690 kN间波动，呈不稳定的周期性，合力方向与顺桥向夹角呈+20°至+35°间变化，周期达到45 s.图9分别给出了该计算工况下流线分布、速度矢量剖视、合力大小时程和合力角时程.顺桥向来流作用下，桥墩合力平均值约为578 kN，起落幅度约12 kN，合力方向与顺桥向夹角呈-0.8°至+0.6°间变化，周期性并不明显.图10分别给出了该计算工况下流线分布、速度矢量剖视、合力大小时程和合力角时程.横桥向来流作用下，墩身合力均值约为204.500 kN，起落幅度约为3.5 kN，合力方向与顺桥向夹角呈-3°～+3°间变化.图11分别给出了该计算工况下流线分布、速度矢量剖视、合力大小时程和合力角时程.从工况二的分析结果可以看出，相比工况一，由于承台露出海床面，总体上绕流力均值有所增加，但是由于墩身和承台后方涡旋的相互干扰，绕流力周期性减弱，或者已经超出300 s的计算时长.3.3 淤泥层全部消失（高程-20 m处）的极端情况绕流力特性考虑海床演变至淤泥层全部消失的极端情况，此时承台和一部分桩身已经露出海床面，水深达23.58 m，浸没段的墩身、承台和钢管桩组成绕流体，使得流线进一步变得复杂.从数值模拟结果来看，相比前两个工况，墩-承台-桩组成的绕流体背面涡旋变得杂乱，整体结构并没有稳定的卡门涡街出现，使得周期性激励不明显，绕流力的波动幅度小得多但由于水深加大，结构总体受绕流力均值进一步加大. 45°来流作用下，墩身合力均值约为754 kN，波动幅度仅约6 kN，合力方向与顺桥向夹角呈+30.4°～+31°间变化，方向稳定.图12分别给出了该计算工况下流线分布、速度矢量剖视、合力大小时程和合力角时程.顺桥向来流作用下，桥墩合力平均值约为680 kN，波动幅度约20 kN，合力方向与顺桥向夹角呈±1°间变化.图13分别给出了该计算工况下流线分布、速度矢量剖视、合力大小时程和合力角时程.横桥向来流作用下，墩身合力均值约为313.5 kN，波动幅度约为2.5 kN，合力方向与顺桥向夹角呈-0.6°～+0.9°间变化，方向稳定.图14分别给出了该计算工况下流线分布、速度矢量剖视、合力大小时程和合力角时程.从工况三的分析结果可以看出，相比前两个工况，水深加大，总体上绕流力均值进一步增加，墩-承台-桩组成的绕流体后方涡旋杂乱，绕流力波动幅度进一步变小，周期性不明显，或者已经超出300 s的计算时长.本文选取港珠澳大桥深水区隔震连续梁桥的典型下部结构进行流场数值分析，基于Fluent建立三维有限体积网格模型，考察了其采用的低桩承台方案在海床面位于承台顶（设计工况）、海床面位于承台底、海床冲刷演变至淤泥层全部消失的极端情形等3种典型工况下的绕流场特性.分析表明，当海床面位于承台顶时，墩身背面形成卡门涡街，涡激力幅值和方向变化的周期性很稳定，顺桥向来流及45°来流形成的涡激力稳定周期约在30 s以上，远离桥梁结构隔震周期.横桥向来流涡激力稳定周期也达14 s，距离桥梁结构隔震周期也较远.随着水深的增加和海床面的下降，由墩-承台-桩组成的综合绕流体受绕流力均值增加，但由于背面涡旋的互相干扰，使流场变得复杂，涡激力周期性减弱，波动幅度变弱，相对而言，横桥向来流造成的绕流力幅值和波动性都较小.所有工况的整体绕流力低于单墩受力80 t.根据分析结果可以综合预判，就现有的近海工程隔震结构设计来看，地震来临时，桥梁下部结构海流绕流力对结构的影响并不大，涡激力特性不会与隔震结构产生非常不利的共振作用.本文工作有待于进一步深入开展地震、台风、波浪和海流综合作用下，考虑流固相互作用的近海长周期隔震结构体系的精细化分析研究.【相关文献】［1］孟凡超，刘明虎，吴伟胜，等.港珠澳大桥设计理念及桥梁创新技术［J］.中国工程科学，2015，17（1）：27-35.MENG F C，LIU M H，WU W S，et al.The design philosophy and bridge’s technical innovation of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge［J］.Eng Sci，2015，17（1）：27-35.［2］张强，高宝峰.港珠澳大桥非通航孔桥型方案分析［J］.桥梁建设，2009（4）：38-41.ZHANG Q，GAO B F.Analysis of bridge type selection for non-navigable spans of Hongkong-Zhuhai-Macau Bridge［J］.Bridge Constr，2009（4）：38-41.［3］ CHOI S U，YANG W.Numerical simulation of 3-D flows around bridge piers［C］∥Proceeding of the First International Conference on Scour of Foundations，Texas A＆M University，Texas，USA，2002：206-213.［4］ GOKHAN K，GEORGE C，ROBERT E.The horseshoe vortex system around a Circular Bridge Pier on equilibrium scoured bed［J］.ASCE Impacts Glob Clim Change，2005，414：1-12.［5］ HUANG W，YANG Q，XIAO H.CFD modeling of scale effects on turbulence flowand scour around bridge piers［J］.Comput Fluid，2009，38（5）：1050-1058.［6］ YANG J，WANG W，HE Q，et al.Effect of different structural forms of marine pile foundations on flow［J］.Advan Sci Tech Water Resour，2014，34（1）：32-36.［7］钟立星，程暮林，王嘉.近海工程基部的海流计算［J］.水动力学研究与进展，2005，20：867-873.ZHONG L，CHENG M，WANG J.The sea-water erosion near the base of offshore engineering［J］.J Hydrod，2005，20：867-873.［8］邓绍云.桩基绕流阻力特性研究现状与展望［J］.水运工程，2006，392（9）：10-15.DENG S Y.Current situation and prospect of study on drag force characteristics of piles ［J］.Port Water Eng，2006，392（9）：10-15.［9］何国建，方红卫，府仁寿.桥墩群对河道水流影响的三维数值分析［J］.水动力学研究与进展，2007，22（3）：345-351.HE G J，FANG H W，FU R S.Three dimensional numerical analysis on water flow affected by piers［J］.J Hydrod，2007，22（3）：345-351.［10］杨娟，王卫远，何倩倩，等.海上不同结构形式桩基对水流的影响［J］.水利水电科技进展，2014，34（1）：32-36.YANG J，WANG W Y，HE Q Q，et al.Effect of different structural forms of marine pile foundations on flow［J］.Advan Sci Tech Water Resour，2014，34（1）：32-36.［11］王晨阳，李孟国，李文丹.港珠澳大桥工程二维潮流数学模型研究［J］.水道港口，2010，31（3）：187-194.WANG C Y，LI M G，LI W D.Research on two dimensional tidal flow mathematical model of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge engineering［J］.J Water Harbor，2010，31（3）：187-194.［12］李文丹，李孟国，杨树森，等.港珠澳大桥建设对水沙环境影响数学模型研究——I.模型的建立和验证［J］.水运工程，2011，456（8）：1-8.LI W D，LI M G，YANG S S，etal.Mathematical modeling of the effect of constructing Hong Kong-Zhuhai-Macao bridge on hydrodynamic sediment environment：I.Development and verification of the model ［J］.Port Water Eng，2011，456（8）：1-8.［13］李孟国，李文丹，杨树森，等.港珠澳大桥建设对水沙环境影响数学模型研究——II.模型的应用［J］.水运工程，2011，459（10）：1-6.LI M G，LI W D，YANG S S，etal.Mathematical modeling of the effect of constructing Hong Kong-Zhuhai-Macao bridge on hydrodynamic sediment environment：II.Application of the model［J］.Port Water Eng，2011，459（10）：1-6.［14］季荣耀，徐群，莫思平，等.港珠澳大桥人工岛对水沙动力环境的影响［J］.水科学进展，2012，23（6）：829-836.JI R Y，XU Q，MO S P.Effects on the hydrodynamics and sediment environment by artificial islands of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge ［J］.Advan Water Sci，2012，23（6）：829-836.［15］吴启和，牛照，田唯，等.港珠澳大桥埋置承台与桩波流作用动力响应分析与试验研究［J］.中外公路，2014，34（1）：121-124.WU Q H，NIU Z，TIAN W，et al.Dynamic response analysis and experimental study on interaction between embedded cap，pile and wave flow［J］.J China Foreign Highway，2014，34（1）：121-124.。
桥墩附近水流结构的三维数值模拟
桥墩附近水流结构的三维数值模拟张小峰;白洋;王彩虹【期刊名称】《中国科技论文》【年(卷),期】2012(007)005【摘要】Features of flows near bridge pier are simulated by means of standard κ-ε model, RNG κ-ε model and realizable k-e model. The simulation result is analysed in terms of variation of water surface, average velocity and shape of tail vortex. A comparison of the simulation results of the three models with actual measurement results indicates that the RNG κ-ε model and realizable κ-ε model can well simulate the structure of flows near bridge pier.%运用标准h模型和RNGκ-ε模型、可实现五啦模型对桥墩附近的水流情况进行了数值模拟。
从自由水面的变化、平均流速等方面对模拟的结果进行了总结分析，并将3种模型的模拟结果与实测资料进行比较，结果表明RNGκ-ε模型及可实现κ-ε模型较好地模拟了桥墩附近的水流结构。
【总页数】8页(P364-371)【作者】张小峰;白洋;王彩虹【作者单位】武汉大学水利水电学院,武汉430072;亚利桑那大学土木工程学院,亚利桑那州图森市85721;武汉大学水利水电学院,武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TV13【相关文献】1.弯曲度对弯道水流结构影响的三维数值模拟研究 [J], 于洋;艾丛芳;金生2.圆柱形桥墩附近三维流场分析研究 [J], 王庆珍;李田生;官盛飞3.桥墩附近水流结构的三维数值模拟 [J], 张小峰;白洋;王彩虹4.湿地刚性植物对水流结构影响的三维数值模拟 [J], 罗晶;杨具瑞;谭毅源;田振华5.桥墩局部冲刷三维地形及水流结构特性试验研究 [J], 陈铭;彭国平;王浩;徐栋泽;李坚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于大涡模拟的流动控制技术研究
基于大涡模拟的流动控制技术研究流动控制技术是指通过调节流体的运动状态，以达到某种特定目的的技术手段。
大涡模拟是流体力学计算方法中的一种高级技术手段，是利用计算机模拟流体中涡动结构的运动和变化情况。
基于大涡模拟的流动控制技术，可以在流体中实现复杂的控制，对于提高流体能量利用率、减小流体噪音、增强流体传热等方面有着广泛的应用前景。
一、大涡模拟的原理与特点大涡模拟是一种基于直接数值模拟理论的流体力学计算方法，与传统的计算流体力学方法相比，其能够更加准确地描述复杂的流动现象。
大涡模拟的原理是通过将流场分解为不同尺度的涡旋结构，较大的涡旋被直接计算，而较小的涡旋则采用统计方法，从而减少计算量，提高计算效率。
与此同时，大涡模拟还具有不同于传统计算流体力学方法的特点，如能够更好地模拟尺度相对较小的涡旋，同时对于流体中湍流纹理的模拟精度也更高。
二、基于大涡模拟的流动控制技术及其应用基于大涡模拟的流动控制技术包括了一系列的控制手段和方法，如基于吸附效应的微流控技术、喷气流控制技术、表面微结构控制技术、基于旋流的控制技术等。
这些技术手段可以在流体流动过程中对流体的运动状态进行调控，从而实现对流体运动状态、能量利用率、传热性能等方面的控制，并对流体的噪音、沉积物等不利因素进行控制。
基于大涡模拟的流动控制技术在空气动力学、海洋工程、液态火箭燃烧等各个领域具有广泛的应用。
以飞行器为例，利用大涡模拟的流动控制技术，可以减少飞行器的阻力、改善飞行稳定性、降低机翼和机身的噪音等。
在海洋工程领域，大涡模拟的流动控制技术可以用于油污清洁、流体波浪调控等方面；而在液体火箭燃烧领域，则可以用于提高火箭燃烧效率、减少燃料损失等方面。
三、大涡模拟的应用前景随着计算能力的不断提高，大涡模拟的应用前景也越来越广阔。
基于大涡模拟的流动控制技术可以应用于各种动力学过程的模拟和优化，对于推动新材料、新能源等技术发展具有重要作用。
近年来，国内外研究者通过数值模拟和试验研究，发现了很多关于大涡结构对流动控制的重要特性，从而提高了流动控制的技术性能和控制效果。
串列双圆柱桥墩周围流场特性研究
串列双圆柱桥墩周围流场特性研究叶玉康; 刘晓平; 李安斌【期刊名称】《《人民珠江》》【年(卷),期】2019(040)010【总页数】8页(P73-79,121)【关键词】串列桥墩; 流场特性; CFD; 紊流宽度【作者】叶玉康; 刘晓平; 李安斌【作者单位】宁德市三都澳新区开发建设有限公司福建宁德 352100; 长沙理工大学水利工程学院湖南长沙 410004【正文语种】中文【中图分类】TV131.2近年来，受通航河流河道条件、桥岸接线位置、征地拆迁等客观条件制约，桥位资源相对匮乏，公路、铁路桥紧邻并建现象较为普遍，如重庆长江大桥复线桥、太湖大桥复线桥、长株潭城际铁路湘潭湘江特大桥等。
现行GB 50139—2014《内河通航标准》[1]规定：两紧邻并建桥梁所处通航水域无碍航水流时，其边缘距离应小于50 m，且通航孔必须相互对应。
这样桥区水域便出现近距离串列布置多个桥墩的情况，产生“巷道效应”，影响通航安全[2]。
桥墩周围局部水力绕流是影响桥区过往船舶航行安全的重要因素之一，为界定该不安全航行区域范围，许多学者对桥墩紊流宽度开展了大量研究，但主要以单桥墩为研究对象[3]。
2个及更多墩柱近距离布置时，上下游墩柱间水动力将发生相互作用，墩柱周围的紊动流场特性与墩柱间距密切相关[4-5]。
由于涡体存在，桥墩墩周水流运动复杂，非定常特性显著。
长期以来有不少学者采用ADV(声学多普勒测速仪)单点测量绕流流场[6-7]或PIV(粒子图像测速)进行桥墩周围局部二维流场测量[8-9]，但都很难准确地反映绕流特性。
随着计算流体力学(CFD)技术的发展，使用黏性流求解方法进行桥墩绕流数值模拟，能够消除众多干扰因素，很好地捕捉流场细节，且高效方便。
因此，本文以串列桥墩为研究对象，采用FLUENT软件并基于RNG k-ε湍流模型对单圆柱及串列圆柱桥墩绕流非稳态瞬时流场进行数值模拟，研究串列桥墩周围的紊动流场特性，以期对复线桥梁的桥墩布置、船舶安全通航提供参考。
桥墩附近水流结构的三维数值模拟
维数值模拟计算【 ３ Ｊ ｏ
１ 桥墩 附近水流三维数值模拟
１ 流体 运 动基本 方程 ． １ １ 续性 方程 ）连
的水流结构比较复 杂， 在桥 墩迎水面向下水流和两侧
绕流在床面形成马蹄形漩涡 ， 桥墩周 围的边界层分离
形成尾流漩涡 ， 后和墩两侧 自床面附近释放形成小 墩 漩涡 。另外 ，引起桥墩局部水流变化的因素很 多，
Ｚｈ ｎ ａ ｆｎ Ｂａ ｎ Ｗ ａ ｇ Ｃａｈｏ ｇ ａ ｇ Ｘｉ ｏ ｅ ｇ ， ｉ Ｙａ ｇ ， ｎ ｉ ｎ
ｒ． ｏｌ ｅｆＷ ｔ ｅｏ ｒｅ ｎ Ｈ ｄｏｌｃ ｉＥ ｇｎｅｉ ， ｕ ａ ｎｖｒｉ ， ｕ ａ ３ ０ ２ Ｃ ｉａ １Ｃ ｌｇ ａｅ Ｒ ｓｕｃｓ ｄ ｙ ｒｅ ｔ ｃ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｗ ｈ ｎＵ ｉ ｓｙ Ｗ ｈ ｎ４ ０ ７ ， ｈ ； ｅ ｏ ｒ ａ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ ｎ ２ Ｓ ｈｏ Ｃｖ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｕ ｉ ｒｉ Ａ ｉ ｎ ， ｕｓ ｎＡ ｉ ｎ ５ ２ ， Ｓ ） ．ｃ ｏ ｌ ｉ ｌ ｇｎ ｅｉ ， ｎｖ ｓｔｏ ｒ ｏ ａ Ｔｃｏ ， ｒ ｏ ａ８ ７ Ｕ Ａ ｆ ｏ ｉＥ ｎ ｅ ｙｆ ｚ ｚ １
摘 要： 运用标准 模型和Ｒ Ｇ ｓ ｈ Ｎ 缸 模型、 可实￣ ：模型对桥墩附近的水流情况进行了数值模拟。 自由 ３ － Ｅ 从 水面的变化、 平均流速等方面对模拟的结果进行了总结分析 ，并将 ３种模型的模拟结果与实测资料进行比较，结果表 ￣Ｐ ， 缸ｓ ＮＧ 模
型及可实现＾￡ － 模型较好地模拟了桥墩附近的水流结构。
天然河道中修 建桥梁后 ， 由于桥墩对水流的压缩 和干扰 ，在桥位附近引起了一 系列的变化。由于桥墩 的局部阻水作用， 桥墩上游水流流速减缓 ， 水面壅高 ， 桥墩 壅水高度 以及其对 上下游的影 响范 围涉及 到两 岸堤 防、附近城市和厂矿企业的防洪安全…。桥墩处
桥墩形状对水流影响的二维数值模拟
收稿日期：2020－04－17作者简介：袁晓渊（1986—），男，河南新野人，工程师，主要从事水利工程设计工作E-mail ：379520140@qq．com【防洪治河】桥墩形状对水流影响的二维数值模拟袁晓渊1，冯淑琳1，王子凯1，许伟2，司黎晶1（1．镇江市工程勘测设计研究院，江苏镇江212000；2．扬州市水利局，江苏扬州225000）摘要：以淮河入海水道铁路桥为原型，利用SMS 软件中ＲMA2模块建立二维数值模拟，定量研究桥墩形状尺寸对行洪水位的影响，并对桥墩的形状尺寸进行了优选，可为河床中桥墩附近的冲刷计算和防护设计提供重要的参考。
关键词：桥墩附近流场；平面二维数值模拟；桥墩形状；壅水高度中图分类号：TV147+．5文献标志码：A doi ：10．3969/j．issn．1000－1379．2020．S2．014天然河床上修建桥梁后，因桥墩阻流产生的水流冲击和旋涡作用，在桥墩附近产生具有强紊动和高流速的局部水流［1］。
桥墩壅水高度及其对上游河段的影响范围，不但决定着桥墩形状尺寸和桥墩间距，而且经常涉及两岸堤防、附近城镇和厂矿企业的防洪安全。
关于桥墩附近水流和壅水特性的研究方法，主要有原型观测、模型试验和数值模拟三种，其中数值模拟不受时间和空间的限制和模型的可重复性好，近几年被广泛采用［2－6］。
针对河道这种大体积水流，二维数值模拟一直是国内外众多学者研究的重要手段［7－8］。
本文运用二维数值模拟定量研究桥墩形状尺寸对行洪水位的影响，并对桥墩的形状、尺寸进行优选。
1深度平均的二维水流数学模型1．1流体运动的基本方程（1）连续性方程。
水流在运动过程中，只要连续性不破坏，就必须满足连续性方程［9］。
其表达式（直角坐标系下）为ρ t + （ρu ） x + （ρv ） y + （ρw ）z=0（1）（2）动量方程。
又称运动方程，其表达式为（ρu ） t + （ρuu ） x + （ρuv ） y + （ρuw ）z = x （μ u x ）+ y （μ u y ）+ z（μ u z ）－px +S u （2）（ρv ） t + （ρvu ） x + （ρvv ） y + （ρvw ）z = x （μ v x ）+ y （μ v y ）+ z （μ v z ）－px +S v （3）（ρw ） t + （ρwu ） x + （ρwv ） y + （ρww ）z = x （μ w x ）+ y （μ w y ）+ z（μ w z ）－px +S w （4）式中：p 为流体微元体上的压力；μ为流体的动力黏度；S u 、S v 和S w 为动量守恒方程的广义源项，S u =F x +s x ，S v =F y +s y ，S w =F w +s w 。
典型桥墩局部冲刷及防护特性数值模拟研究
文章编号：１００６－００８１（２０１８）０４－００４５－０３
典型桥墩局部冲刷及防护特性数值模拟研究
张 胡１ 闫杰超２，３ 陈凯华２，３
对于单向流作用下的桥墩局部冲刷问题，国内 外研究者通过一个多世纪的研究，已经取得了相对 比较成熟的研究成果［２－４］。但随着沿海经济的快速 发展，大型跨海桥梁的建设越来越多，跨海湾 （河 口）桥梁基础所处的海域往往具有水深、浪高、双向 非恒定潮流等水动力条件复杂的特点，使现有单向 流冲刷研究成果难以适用于跨海桥梁基础的冲刷问 题［５］。目前，对于跨海桥梁基础的冲刷研究还处于 初级阶段，国内已建的、在建的跨海大桥桥梁基础的 冲刷大都通过专门的水槽模型试验专题测定 ， ［６－７］ 就物理模型而言，除了投资大、存在比尺效应外，还 存在周期长、可移植性差等缺点，难以完全适应多因 素、大范围、多方案的工程规划问题。因此，应用数 学模型研究这类问题，无疑是今后的发展方向。本 文通过 ＦＬＯＷ －３Ｄ建立波流共同作用下的三维桥
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２０１８年 ４月 水 利 水 电 快 报 ＥＷＲＨＩ 第 ３９卷第 ４期
图 １ 模型的平面图和网格划分示意
水深 ０．４６７ｍ，选取 ３种不同来流流速，分别为 ４．２３，
７ｃｍ／ｓ和 １０．０６ｃｍ／ｓ。选择 ２种不同墩柱直径，分别
关键词：桥墩；水动力；冲刷；数值模拟 中图法分类号：Ｕ４４３．２２ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１５９７４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｓｄｋｂ．２０１８．０４．０１３
涉水桥 梁 桥 墩 的 阻 水 作 用，必 然 导 致 水 流 （海 流）与泥沙相互作用发生变化。桥墩局部冲刷的发 生，也促使河 （海 ）床 作 出 相 应 调 整，不 仅 影 响 到 桥 梁所在河段的演变趋势，而且还可能威胁到桥梁建 筑物本身的安全与稳定。对桥墩局部冲刷深度的可 靠预测以及采取适当的冲刷防护措施是保证桥梁安 全运行的基础，因此必须对桥墩局部冲刷及防护引 起足够重视［１］。
开孔桥墩墩后水动力特性PIV试验
开孔桥墩墩后水动力特性PIV试验邓斌;唐瑶;蒋昌波;赵兵兵;王刚【摘要】为探讨桥墩上设置开孔对墩后水流结构的影响,采用粒子图像测试技术(PIV)对矩形开孔桥墩墩后的水平面和立面流场进行了测量,并对墩后的水流结构进行了分析.结果表明:矩形开孔桥墩能够改变开孔位置所在水深处尾流的运动规律,贯穿方孔的高速水流与墩侧绕流以及墩后低速区水流形成强烈的剪切作用,抑制了大尺度旋涡的发展与运动,并且切断了墩后底部水流的上升运动轨迹;墩后瞬时流场存在周期性的运动规律,具有高度间歇特性.%The Particle Image Velocimetry(PIV) technique is applied to explore the flow structures behind a hollow bridge pier. Hydrodynamic characteristics of the flow field past the pier with a rectangular hollow slot are examined in both horizontal and vertical planes. The result shows that the motion of the wake flow at the height of the slot can be changed. The development and movement of large-scale vortex is restrained and the upward motion trajectory of the bottom flow behind the pier is cut off by the strong shear effect that is generated due to the interaction between the high-speed flow pass through the hole and the low-speed flow in the lateral and back region of the pier. Characteristics of periodicity and high intermittency exist in the instantaneous flow field behind the pier.【期刊名称】《水利水电科技进展》【年(卷),期】2018(038)003【总页数】7页(P8-14)【关键词】开孔桥墩;水动力特性;瞬时流场;粒子图像测试技术【作者】邓斌;唐瑶;蒋昌波;赵兵兵;王刚【作者单位】长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙 410114;水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南长沙 410114;长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙410114;长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙 410114;水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南长沙 410114;长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙 410114;中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广东广州 510230【正文语种】中文【中图分类】U448;TV131.2桥墩周围的水流结构对船舶的通航安全以及桥墩的局部冲刷等会产生严重的影响。
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桥墩水流特性大涡模拟研究薛万云;郭宁;吴时强;陈锡林;吴修锋;周杰;周向华;戴江玉【摘要】采用大涡模拟(LES)数学模型对河道中单个桥墩及3个桥墩条件下的水流运动进行数值模拟.计算结果与试验结果吻合良好.对计算得到的墩前及墩后流速变化、水位变化、剪应力分布、涡量变化及频谱进行分析,基于以上分析发现:桥墩间距较窄时(s/D=2),墩前不同位置(0＞x/D＞-5)处的垂向流速绝对值丨U,丨大于其他工况条件下相同位置处的流速,而在墩前x/D＜-5区域,各计算工况条件下的垂向流速Uz基本为零,不受桥墩阻流的影响,两侧桥墩叠加效应最明显,跌水达最大值;桥墩间距较大时(s/D＞5),中心桥墩两侧的桥墩对中心桥墩尾流区的干扰减弱,叠加效应可以忽略.桥墩间距较窄时(s/D=2)墩后x=0.5D处计算得到的涡漩特征长度与桥墩直径基本相同,该处涡漩主要由单个桥墩的尾流产生,而桥墩后x=5D处的涡漩特征长度与3倍的桥墩直径一致,中心桥墩后x=5D处的涡漩由3个桥墩叠加产生.【期刊名称】《水利水运工程学报》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】9页(P18-26)【关键词】多桥墩;大涡模拟(LES);剪应力;涡量;频谱分析【作者】薛万云;郭宁;吴时强;陈锡林;吴修锋;周杰;周向华;戴江玉【作者单位】南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029;江苏省水利厅,江苏南京210029;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029;江苏省水利厅,江苏南京210029;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029;江苏省水利厅,江苏南京210029;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029【正文语种】中文【中图分类】TV133桥墩水力特性一直是明渠水力学研究中的经典问题，桥墩周围产生不同形式的涡漩，使得桥墩附近的流场结构十分复杂。
国内外学者采用理论分析，物理模型试验和数值模拟等手段对桥墩附近壅水、流场结构及冲刷机理等进行了深入细致的研究，并取得了丰硕的研究成果[1-3]，如A. Jahangirzadeh等[2]基于大量试验，对桥墩附近的流场和冲刷机理进行了分析；A. Chrisohoides等[3]通过物理模型试验和理论分析对桥墩附近复杂的三维流场和河床冲刷过程进行深入分析，并提出了相应的防护措施。
桥墩在河道中一般以桥墩群的形式存在，桥墩间距小到一定程度后，桥墩间产生叠加效应，对水流流动方向、流场结构等造成新的影响。
Lu Jing等[4]建立了相同压缩比情况下单排和双排桥墩模型，对比分析了桥墩群对水流结构的影响，认为相同压缩比条件下，最大流速出现在前排各桥墩两侧，与水流方向夹角在70°～90°范围内，且桥墩群周围最大流速的大小与桥墩的布置间距有关。
王庆珍等[5]应用大型流场分析软件FLUENT，耦合求解桥墩附近三维流场，并得出剪应力的分布特征，指导河床冲刷分析及制定合理的防护措施。
谢鸣晓和张玮[6]利用平面二维水流数学模型分析研究了缓流河道中单排桥墩影响下水位和流速变化，对比了方墩和圆墩对水流变化的影响差异，研究发现桩墩引起的水流变化沿纵、横向呈现出不同的分布规律，沿横向呈波状分布，方墩对水流变化的影响比圆墩大；G. Abouzeid 等[7]采用室内水槽试验和三维数学模型研究了两个桥墩(群)对水流流动结构、桥墩周遭冲刷的影响，发现桥墩底部最大冲刷坑深度与弗劳德数、桥墩间距和桥墩直径有关，并得到表述以上参数的经验公式。
邓见等[8]通过数值模拟计算得到了单圆柱、不同间距下串列双圆柱的绕流阻力系数，并用室内试验进行了验证。
然而数值模拟方法更多采用平面二维及传统的两方程数学模型，这类方法基于时间平均理论，忽略了湍流的瞬时流场结构变化及其他湍流内的重要信息。
对于高雷诺数的湍流，由于湍流脉动的多尺度性，湍流具有很宽的尺度范围，计算难度极高，于是提出了一种折中的数值模拟方法，即湍流的大涡数值模拟(LES)[9-10]。
本文利用大涡模拟(LES)数学模型，研究不同横向间距条件下桥墩对水位变化、水流紊流结构和涡量等参数的影响规律，对比分析了多个桥墩与单个桥墩的差异，研究成果可为多桥墩的防洪影响评价提供技术支持和参考依据。
大涡模拟(LES)方法把湍流流动分为大尺度涡和小尺度涡两种运动，大尺度运动直接进行计算，而小尺度对大尺度运动的作用可以建立相应的模型。
因此大涡模拟的第一步就是将全部的流动变量分为可以直接计算的大尺度脉动和不直接计算的小尺度脉动，这一过程称为滤波。
滤波是一种数学计算，通过滤波函数将小尺度脉动过滤掉。
目前较为常用的滤波函数有：高斯(Gauss)滤波函数、富氏截断滤波函数和Deardorff的盒式(Box)滤波函数[10]。
1.1 控制方程将滤波函数作用于Navier-Stokes方程的各项，得到过滤后的湍流控制方程组，即连续方程(1)和动量方程(2)：式中：xi和分别为i方向(i=1, 2, 3)上过滤后的坐标及速度；为过滤后的压力；μ为动力黏度；亚格子应力(the subgrid scale stress)τij反应小尺度涡漩运动的影响。
1.2 Smagorinsky-Lilly动力模式本文采用Smagorinsky-Lilly动力模式求解亚格子应力τij，在计算过程中动态获得模型系数，而不是给一个先验定值。
模型中引入两个过滤因子，网格过滤因子Δ和检验过滤因子，一般选取的检验过滤因子是网格过滤因子的2倍。
然后利用涡黏性模型对亚格子应力参数化处理[10]：式中：；；δij为Kronecker delta；；C为模型常数且认为在两个过滤因子间不变[11]，利用D. K. Lilly[11]的最小二乘分析方法计算C值，C值在各个方向上做平均：式中：利用计算得到的大涡流场计。
大涡模拟数学模型的详细信息可参阅M. Germano等[11]和J. Smagorinsky[9]的相关论述。
2.1 计算区域本次数值计算以B. W. Melville等[13]的试验为原型，为了验证模型的适应性，计算区域也与原型一致。
计算明渠长7 m，宽1.5 m，高0.35 m，桥墩布置在明渠中心。
x，y，z分别为水流纵向、横向和垂向，速度分别是Ux，Uy和Uz，坐标系原点设置在桥墩中心处，计算条件见表1。
分别对单墩工况及5组不同墩间间距s/D的3个桥墩工况(s/D=2，3，5，6，8)进行数值计算。
图1给出了计算区域示意图及4种典型桥墩布置的工况。
2.2 边界条件及数值计算方法图1(a)为计算边界条件，水流进口设置为速度进口边界条件，湍流强度为I=2%，在进口边界流速分布呈均匀分布；水流出口采用压力出口边界条件；计算区域顶部采用对称边界，在该边界法向方向上，流速及各变量梯度为零；其他边界均采用无滑移壁面边界条件。
整个计算区域划分为300万个结构化网格单元，主槽区域在x，y，z方向上的网格数为500×150×40，在水流进口、近壁区及桥墩所在区域进行局部网格加密(图1(b))，加密区域的最小网格尺寸是2 mm。
本文采用VOF方法处理求解控制方程过程中遇到的自由表面问题[14]，运用有限差分法离散控制方程。
采用FAVOR方法[15]识别计算区域内的几何实体(桥墩)。
采用有界中心差分格式[16]求解对流扩散方程。
瞬态项计算采用二阶隐式方法，时间步长0.001 s。
所有方程的相对残差小于1×10-5时认为计算已达到收敛。
每个工况计算200 To(To =Lo/Uo，Lo为计算区域长，Uo为上游进口来流时均流速)，为避免初始条件对结果的影响，本文统计数据的时间范围为150 To <t<200 To。
3.1 验证计算结果分析图2为墩前桥墩纵向中心线上不同位置处(x/D=-2.25，-10.0)的沿垂向流速计算结果与B.W.Melville[13]试验结果比较，Ux为纵向流速，Uz为垂向流速。
从图2可见，纵向流速Ux计算结果与试验结果吻合基本良好，垂向流速Uz在z/H≥0.15区域，计算值与试验值基本吻合，而在近床面区域(z/H<0.15)计算值与试验值差别较大，这是由于计算时假设床面为无滑移壁面且所采用的Smagorinsky-Lilly动力模型无法捕捉床面附近的猝发扫掠现象所致。
3.2 流速分布分析图3是不同工况下中心桥墩墩前纵向中心面上不同位置处沿水深纵向流速和垂向流速变化。
从图3(a)可以看到，在桥墩上游，离桥墩越近，桥墩对水流的阻水效应越明显，纵向流速Ux越小。
工况s/D=5条件下的纵向流速Ux与单墩的纵向流速基本一致，说明桥墩横向间距s/D>5时，桥墩间的相互影响基本可以忽略。
工况s/D=2和 3条件下，在墩前x/D=-1和-5处的纵向流速Ux均小于单桥墩工况下的相应纵向流速，说明中心桥墩墩前流速受到两侧桥墩的叠加效应影响，使中心桥墩墩前水位较单墩条件下的流速有所减小。
从图3(b)可以看到，当墩前x/D=-1处，垂向流速Uz在近水面区域以下(z/H<0.93)均为负值，表明在墩前中心纵断面上存在下潜流，而在近水面区域(z/H≥0.93)，垂向流速Uz为正值，说明水流在墩前受桥墩作用分为两股，一股为流向水面的上升流，另一股为流向河道底部的下潜流。
工况s/D=2条件下的不同墩前位置处的垂向流速绝对值Uz大于其他工况条件下的相同位置的流速，表明受桥墩叠加效应的影响，墩前下潜流流速增大，这种下潜流对桥墩底部河床造成冲刷。
近水面区域，受逆压梯度和涡流循环方向的综合影响，垂向流速Uz在近水面区域为正值。
在墩前x/D=-5处，各计算工况垂向流速Uz基本为零，说明在墩前x/D<-5区域，流速基本不受桥墩的阻流影响。
图4为不同工况下中心桥墩墩后纵向中心面上不同位置处沿水深纵向流速和垂向流速变化。
从图4(a)可以看到，在墩后x/D=1处，水流受桥墩阻流影响，流速减小。
单墩墩后x/D=1处，近壁面区域(z/H<0.15)和近水面区域(z/H>0.53)纵向流速Ux<0，说明在此区域中存在回流现象；在水深0.15 <z/H<0.53范围内Ux>0，在此区域不存在回流。
工况s/D=5条件下的墩后纵向流速与单墩条件下的流速大小和变化趋势最接近。
这表明随着横向间距的增大，桥墩间的相互影响逐渐减弱，桥墩叠加效应逐渐消失，类似于3个独立的单墩圆柱绕流。
图4(b)显示在近河底壁面处垂向流速Uz为负值，说明在此区域存在下潜流；工况s/D=5的垂向流速Uz与单墩条件下的垂向流速大小接近且变化趋势一致，说明桥墩横向间距s/D>5时，桥墩间的相互影响基本可以忽略；工况s/D=2条件下的垂向流速Uz较单墩条件下的垂向流速大，说明桥墩横向间距s/D=2时，桥墩间的叠加效应明显。