桥墩水流特性大涡模拟研究.pdf

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1、第4期水利水运工程学报No．42016年8月IIⅥ)Rn删CEANDD旧玳既脚NGAug．2016DOI：10．16198／i．cnki．1009—640X．2016．04．003薛万云，郭宁，吴时强，等．桥墩水流特性大涡模拟研究[J]．水利水运工程学报，2016(4)：18—26．(xuEwan-yun，Gu0Ning，wuShi-qiang，eta1．ImpactsofmultiplebridgepiersuponopenchannelnowbasedonLEs[J]．Hydm。scienceandEn西neering，2016(4

2、)：18—26．)桥墩水流特性大涡模拟研究薛万云1，郭宁2，吴时强1，陈锡林2，吴修锋1，周杰1，周向华2，戴江玉1(1．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；2．江苏省水利厅，江苏南京210029)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(∥D=2)，墩前不同位置(o>∥D>一5)处的垂向流速绝对值I址I大

3、于其他工况条件下相同位置处的流速，而在墩前∥D<一5区域，各计算工况条件下的垂向流速玑基本为零，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)墩后膏=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z=5D处的涡漩特征长度与3倍的桥墩直径一致，中心桥墩后戈=5D处的涡漩由3个桥墩叠加产生。关键词：多桥墩；大涡模拟(LEs)；剪应力；涡量；频谱分析中图分类号：T

4、vl33文献标志码：A文章编号：1009—640X(2016)04—0018—09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¨。3J，如A．Jahan百rzadeh等旧。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"1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

5、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。LuJing等H1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。一900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b1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M1利用平面二维水流数学模型分析

6、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o¨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。邓见等旧。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收稿日期：2015

7、—06—27基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2012zx07506—003—04)；国家自然科学基金资助项目(51379128)；国家自然科学青年基金资助项目(51409165)作者简介：薛万云(1986一)，男，青海西宁人，博士，主要从事水力学及河流动力学方面研究。E．mail：wy】【ue@n城．cn第4期薛万云，等：桥墩水流特性大涡模拟研究19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，

8、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)旧叫0

9、。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