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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。
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 。
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。
异型孔桥墩水力特性研究的开题报告以下是一份关于异型孔桥墩水力特性研究的开题报告：1. 研究背景桥墩是桥梁工程中不可或缺的结构，其承受着桥面和车辆等载荷。
为了减小洪水对桥梁的冲击，采用异型孔桥墩的设计可以有效地减缓水流速度和水压，降低洪水对桥梁的破坏力度。
但是，异型孔桥墩的形状复杂，水力特性也相应难以预测和研究。
因此，对异型孔桥墩的水力特性进行深入的研究，具有重要的工程实践意义。
2. 研究目标本研究旨在通过理论分析和计算模拟，深入研究异型孔桥墩的水力特性，包括水流速度、水压分布等参数的变化规律和影响因素。
并对研究结果进行分析和比较，提出优化设计建议，为工程实践提供有力的技术支持。
3. 研究内容和方法3.1 研究内容（1）分析异型孔桥墩的结构特点和水力学基本知识；（2）建立异型孔桥墩水力学模型，包括数学模型和数值模拟模型；（3）研究水流速度、水压分布等参数随不同造型因素（如孔洞形状、孔洞位置、流量大小等）的变化规律和影响因素；（4）比较不同异型孔桥墩的水力特性，提出优化设计建议。
3.2 研究方法（1）理论分析：通过分析水力学原理和桥墩结构特点，建立异型孔桥墩的水力学模型，并分析模型的物理意义和计算方法。
（2）计算模拟：使用数值模拟软件（如FLUENT）建立异型孔桥墩的三维流场模型，模拟水流通过异型孔桥墩的过程，计算得到水流速度、水压分布等参数。
（3）实验验证：在水模实验室中，搭建异型孔桥墩模型，通过水流速度仪器和压力传感器等实验设备，对异型孔桥墩的水力特性进行实测验证。
4. 研究意义和创新性本研究对于提高异型孔桥墩的防洪能力，降低洪水对桥梁的破坏具有重要的工程意义。
同时，本研究采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法，充分发挥了计算机和实验技术的优势，为异型孔桥墩的水力特性研究提供了新的思路和方法。
此外，本研究在异型孔桥墩水力特性研究方面也具有较大的创新性。
圆柱桥墩的绕流数值模拟田正野;罗红英【摘要】以西藏林芝八一大桥为模型,采用大涡模拟,得到了流场的压力云图、瞬时速度流线图、涡量图.结果表明:流体开始流过桥墩时,圆柱壁面压力最大点及最低点分别出现在前驻点与圆柱壁面上下两侧;流体充分流动,中间的圆柱压力最大点发生了变化;流体绕中间圆柱的流动特性同时受到上游圆柱与下游圆柱的作用;漩涡脱落圆柱向下游运动,受流体流动的影响与自身的剪切运动,涡能量不断减少,最后消失;运用大涡模拟能够很好的预测圆柱绕流问题,可以为高原实际工程的应用提供参考.【期刊名称】《人民珠江》【年(卷),期】2017(038)010【总页数】4页(P47-50)【关键词】圆柱绕流;大涡模拟;流动特性;涡量【作者】田正野;罗红英【作者单位】西藏农牧学院,西藏林芝860000;西藏农牧学院,西藏林芝860000【正文语种】中文【中图分类】TV13圆柱绕流及尾流的相互干扰，有着广泛的工程应用［1］，如水体流经桥墩［2］、风吹过直立的电线杆、海洋钻井平台等。
钝体的存在导致原来的均匀流场发生空间分布的差异性和流场结构的改变，属于经典流动问题，掌握流体的绕流特性对工程实际的设计有着重要的意义。
目前，国内外许多学者已经针对圆柱绕流问题，运用计算流体力学对绕流的流场特性做了大量的研究。
孙涵、赵瑞亮等［3］运用大涡模拟对串并列圆柱绕流问题进行了分析得出：随着雷诺数的降低，前一个圆柱对后一个圆柱的遮挡作用越来越明显，而且升力与阻力的频率仍为2倍关系；贾晓荷，刘桦等［4］对双圆柱绕流的大涡模拟得出：在时，上下两个圆柱的受力不同，上游的圆柱受力较大；Liang等［5］通过大涡模拟研究了流动的非定常性对圆柱周围流场特性的影响，结果得出：来流的脉动使得圆柱的流场产生更强的涡，圆柱背后的回流区长度将缩短；余攀登，赵广慧［6］等通过数值模拟，分析了高雷诺数下的近壁绕流，得出了不同间隙比下绕流海底管道的流场结构形态；Breuer［7］用大涡模拟方法计算了Re＝3 900下的圆柱绕流，但其目的并不在于研究流场理现象的细节，而是为分析影响 LES精度的数值及模型方面；Xu等［8］用大涡模拟方法对变截面半径圆柱的可压缩流场进行了数值模拟，分析了波状圆柱绕流与柱状圆柱绕流问题的区别。
第11期2013年11月广东水利水电GUANGDONG WATEＲＲESOUＲCES AND HYDＲOPOWEＲNo .11Nov．2013大魁河大桥斜交桥墩附近水流特性研究王珍，赵吉国(广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州510635)摘要：通过物理模型手段，测量各桥墩附近的水流流速、流向变化。
在此结果基础上，分析了与水流方向斜交的桥墩附近的水流特性。
结果表明:斜交桥位桥墩附近流态复杂，既有桥墩束水的一般规律，又呈现出特殊的规律。
在实际工程中，斜交桥位桥梁的防洪评价工作应开展物理模型试验研究，为项目审批提供更科学的依据。
关键词：斜交桥梁;桥墩近区;水流特性;物理模型中图分类号：U442.3文献标志码：B文章编号：1008－0112（2013）11－0017－04收稿日期：2013－07－05；修回日期：2013－07－29作者简介：王珍（1982），女，硕士，主要从事水利及港航工程的研究。
在城市铁路或公路中，桥位受到线路控制，往往不得不与桥下水流成很大的斜交角度跨越河道。
桥线斜交使得桥墩错落布置，即便桥墩轴线顺水流方向，其桥墩附近及相应河道内的水流特性与正交桥线有差异，而桥位斜交会带来与正交情况下不同的斜交效应，更使得河道壅水［1］、附近流速及流态［2－3］形成独特的规律，与正交情况大有不同。
拟研究的大魁河大桥跨越大魁河，防洪标准为100年一遇，大桥跨河部分线路为西南———东北走向，桥线方向与水流流向约呈40ʎ相交。
桥梁下部结构主墩采用双薄壁实心墩，墩长为8.1m ，墩厚为2.5m ，迎水面为半径为2m 的圆弧倒角，墩轴线与水流方向的夹角约为24ʎ。
边墩采用桩柱式桥墩，墩长为3.6m ，墩厚为2m ，四个角为半径为0.5m 的圆角，墩轴线与水流方向的夹角约为38ʎ。
阻水建筑物仅为桥墩，但主墩与边墩的形式不同，与水流的夹角也不相同。
阻水桥墩距离堤防较近，最近的主墩距离堤脚约为14m ，桥墩承台基础距大堤迎水面堤脚约为6 6.8m ，最近的边墩位于右岸河滩上，距右岸堤防外侧堤肩约为7 14m ，距离大堤堤脚约为4 8m 。
各种墩柱绕流的数值模拟研究【摘要】本文为研究在Re = 25000 的非定常条件下, 采用RNG 湍流模型,不可压缩流动中二维的各类柱体的流场特征，及多柱体串列时不同间距对柱间相互作用，选取间距比L /D(L 为两柱中心间的距离，D 为圆柱直径或方柱边长)为2、3、4、5 共4个间距进行了数值分析和数值模拟。
计算结果表明,RNG 湍流模型可以成功地模拟绕柱体的不稳定、非定常和剧烈分离流动。
关键词：RNG 湍流模型；圆柱绕流；方柱绕流；压力线；速度矢量；升阻力系数Numerical simulation of flow around some types of pier columns【Abstract】This paper is a study on Re = 25000unsteady condition, using RNG turbulence model, the incompressible flow in two-dimensional flow field characteristics of various types of cylinder, and the cylinder tandem different spacing on the column of intermolecular interactions, selecting spacing ratio L / D ( L two column distance between centres, D as the diameter of the cylindrical or square column length ) is 2,3,4,5a total of 4spacing of numerical analysis and numerical simulation. The calculation results show that, RNG turbulence model can successfully simulate the winding column instability, unsteady and sharp separation flow.Key words: RNGturbulence model; flow around circular cylinder; flow around rectangular obstacle; line of pressure; velocity vector; lift and drag coefficient;1 数值模拟研究概述21世纪人类对海洋的开发利用将进入一个空前迅猛发展的时代，同时也给海岸和近海工程的发展带来前所未有的机遇与挑战。
基于PIV技术的开孔桥墩周围的水动力特性的研究摘要：桥墩的局部冲刷问题一直以来倍受科学研究者们的关注。
基于粒子图像测速技术，对桥墩冲刷后方产生的旋涡进行涡量场与速度场的分析，比较了不同半径、不同粗糙程度的桥墩的涡量场与速度场差异，得出了如下结论：桥墩的半径对于桥墩背流面产生的旋涡的速度场与涡量场影响并不显著，可以忽略不计；桥墩的粗糙程度越大，桥墩尾部产生的旋涡速度越小，涡量越小，对于桥墩的冲刷力度就越小。
以上结论对于规划设计者在建造桥梁的的规划有着重要的现实意义，即应选取粗糙程度大的、半径大的桥墩进行建造，以减少桥体的侵损、保证通航的安全。
关键词：开孔桥墩；PIV技术；涡量场；速度场1.引言当水流过桥墩后，会在桥墩的背流面形成复杂的三维流场，从而对桥体本身会进行冲刷，造成经济损失，甚至由于水流造成的桥墩后方淤泥的堆积而带来了通航的安全隐患而出于经济与安全的角度考虑，桥墩结构和材料都应该进行改造[1]桥墩局部冲刷问题一直以来倍受国内外学者的关注，其中，孙东坡进行了桥墩冲刷坑的三维流场测量与数值模拟研究，得出了“增加防护坝可以使桥墩局部冲刷坑深度相应减少：拦沙坝与桥墩之间的距离过高反而会造成桥墩局部冲刷深度增大”的结论[2]。
欧阳飞通过数学计算推导出了弗汝德数的计算公式，并得出了“墩柱周围紊动宽度随弗汝德数的增加而增加”的结论[3]。
熊文基于动网格自更新技术的三维CFD冲刷模型，得出了“从最大冲刷深度来看，排墩最大，双柱墩次之，单柱墩最小”的结论[4]。
观察以上实验研究发现，他们的结论都是与改变桥墩的自身结构或者对于桥墩的宏观位置摆放进调整，但都没有从微观上去深入研究，本课题弥补了这一缺失，对桥墩的粗糙程度对其周围流场的速度场及涡量场进行研究，得到了“桥墩的粗糙程度越大，其背流面形成旋涡的速度及涡量就越小，对桥墩的冲刷力度就越小”的结论，为建桥时桥墩材料的选取提供了建议。
2.实验装置与设计2.1 PIV技术粒子图像测速技术是本实验的核心技术，它突破了以往测速技术的单点、接触式的局限，具有瞬态、多点、无接触式的特点[5]。
大涡模拟简单介绍大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）是一种流体动力学数值模拟方法，用于模拟湍流流动。
相比于传统的雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）模拟方法，LES可以更准确地捕捉流动中的湍流结构和湍流涡旋，并且消除了能量储存和耗散的子网格模型假设。
LES的基本原理是在Navier-Stokes方程的基础上，通过滤波器将流动变量划分为长时间和空间尺度下的平均分量和湍流分量。
经过充分滤波的方程组被认为是LES方程组，其中长时间和空间尺度下的平均分量由RANS求解，湍流分量则采用直接数值模拟（DNS）或者更为常见的子网格模型进行近似。
LES方程组通常采用基于物理的平滑学习系数（Smagorinsky模型）或者基于数值的子网格尺度计算方法来估计湍流涡旋的剪切应力。
与传统的RANS模拟相比，LES能够提供更多细节的湍流结构信息，从而更好地预测湍流流动中的流场特性，比如涡旋结构、湍流能量传递、湍流耗散等。
这些信息对于工程问题的分析和设计有着重要的意义，比如风力发电机翼型的气动性能、船舶外形的水动力性能等。
LES的优势主要体现在以下几个方面：1.湍流结构预测能力：LES可以更准确地模拟湍流结构，包括涡旋的生成、演化和消散过程，因此能够提供更详尽的湍流流场信息。
2.湍流能量传递和耗散特性：LES能够有效地预测湍流能量的传递和耗散特性，对于评估流动中的湍流耗散和能量损失有着重要的意义。
3.均匀流动和非均匀流动的统一模拟：与传统的RANS方法相比，LES对均匀流动和非均匀流动有着较好的统一模拟能力。
对于非均匀流动，LES能够更好地预测局部湍流结构的分布和演化。
4.对涡旋缩放和旋转的准确模拟：LES能够模拟涡旋的缩放和旋转过程，能够提供更真实的细节湍流结构信息。
尽管LES在提供细节湍流结构信息方面具有优势，但其计算成本较高，主要体现在网格分辨率和时间步长上。
由于需要考虑到湍流结构的空间和时间变化，LES所需的网格分辨率通常较高，这对计算资源的要求较高。
圆柱型桥墩绕流的流场特性实验分析摘要:桥墩尾流中的水流的脉动是影响桥墩局部冲刷作用的动力因素之一,而水流脉动中的漩涡结构又是其主要组成部分,本论文以模型试验为基础,运用PIV技术测量了圆柱桥墩模型绕流后方流场的水平切面,在此基础上做了尾涡摆动周期验证和时均流场分析,并利用ADV测得圆柱绕流后方流速测点的三维瞬时流速,分析了圆柱后方水流的脉动主频。
关键词:圆柱绕流桥墩冲刷粒子成像技术涡旋墩柱周围水流问题研究中,传统的测量方法是点测量,[1]因而无法获得全场的同步信息。
近年来,随着图像处理技术和信号分析理论的迅猛发展,实验设备的数字化给流体力学的研究领域注入了新的活力。
[2]利用这些新型技术手段不仅能够直观地记录流动现象,还能够比以往更为准确地揭示流动的规律,这些技术已然成为水流问题研究过程中的重要的手段。
[3]本文在分析面流场时采用了粒子图像测速技术,[4]对圆柱型桥墩模型绕流的流场特性进行了分析。
1 实验装置介绍1.1 试验仪器设备参数试验是在大连理工大学海岸及近海国家重点实验室的PIV水槽进行。
水槽长22m,宽0.4m。
在测量中运用PIV(粒子成像技术)和ADV(声学多普勒流速仪)两种仪器结合的方法。
PIV流速测量系统为美国TSI公司生产。
ADV为nortek公司产的Vectrino+。
1.2 试验方案设计实验用圆柱直径为6cm,取0.1、0.15、0.25m/s三种来流速度,激光取样频率为15Hz。
2 圆柱型桥墩绕流流场特性分析2.1 频谱特性分析(图1)本实验中流速仪的采集频率设定为100Hz,远高于大尺度涡旋从圆柱后脱落频率,因此分析可以得到旋涡从圆柱后脱落时的频率。
本文提取圆柱正后方5cm、水深5cm处的三维速度观测数据进行分析,得到三种流速下与流速垂直方向的脉动流速频率振幅。
2.2 瞬态流场分析为了更清晰地考察旋涡从圆柱后脱离时的流场情况。
用瞬时流线图记录圆柱后方漩涡发展过程。
取样实验组次来流速度为0.1m/s,雷诺数为6000,此时圆柱后方为紊流状态。
淹没条件下水射流涡旋特性大涡模拟及实验研究张欣玮;汤积仁;卢义玉;周哲;章文峰;陈钰婷【摘要】采用大涡模拟方法对淹没条件下水射流的涡量场进行数值模拟，分析流场中涡旋的产生与扩散机制，并通过相同条件下粒子图像测速仪测量射流的涡量场，对模拟结果和方法进行验证。
模拟研究泵压和围压对淹没射流涡旋特性的影响。
结果表明：在射流流场中，由喷嘴出口产生一系列涡量集中的点涡旋，随着射流的前进涡旋逐渐扩散，卷吸周围介质并传递能量，卷吸范围逐渐扩大，而卷吸能力沿射流轴向呈指数衰减；随着泵压升高，整个流场中涡旋的涡量值明显增大，涡旋扩散长度直线上升；围压对涡量基本没有影响，围压的增加会使涡旋扩散区长度直线下降，减小卷吸作用范围。
%The large eddy simulation was used to numerically simulate the vorticity field of submerged water jet in submerged condition, through which the mechanism of vortex generation and diffusion in the flow field was analyzed. And the simulation results and methods were validated using the particle image velocimetry ( PIV) measurement test of vorticity field under the same conditions. In this way the effect of pump pressure and confining pressure on vortex characteristics of submerged jet were studied. The results show that a series of point vortexes with large vorticity are generated by the nozzleexit in the jet flow field. With the progress of jet development, vortexes spread gradually and entrain the surrounding medium to transfer en-ergy, which causes the scope of entrainment expanded gradually and the entrainment ability decayed exponentially along the jet axis. With the pump pressure increasing, the vorticity of entire flow field increasessignificantly and the length of vortex diffusion climbs straight. While confining pressure has no effect on the magnitude of the vorticity, and the increase of confi-ning pressure leads to reduce the length of the vortex diffusion.【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】7页(P98-104)【关键词】淹没水射流;涡旋;大涡模拟;粒子成像测速【作者】张欣玮;汤积仁;卢义玉;周哲;章文峰;陈钰婷【作者单位】重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆400030【正文语种】中文【中图分类】TE319水射流在淹没条件下由于周围水介质的黏性剪切作用产生大量涡旋，涡旋的产生与扩散就是射流卷吸周围介质，传递能量、动量使之随同一起运动的过程［1-2］。
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。
