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内河框架码头桩柱绕流水动力特性数值模拟研究
| 论文题名： | 内河框架码头桩柱绕流水动力特性数值模拟研究 |
| 关键词： | 内河框架码头;桩柱绕流;水动力特性;水流荷载;数值模拟 |
| 摘要： | 内河框架码头具有多层纵横联系撑、大直径桩柱等结构特点，其所处内河水文环境流速大、水位变幅大，使得内河框架码头结构阻水效应明显，系统研究大流速条件下内河框架码头大直径桩柱绕流水动力特性及确定水流荷载大小尤为重要。本文采用CFD数值模拟方法，结合内河框架码头桩径、桩间距及水流流速等实际工况，开展了大流速条件下大直径单桩、串列四桩柱、并列四桩柱绕流二维数值模拟及单桩、带横撑并列双桩柱和带纵撑串列双桩柱绕流三维数值模拟，研究内河框架码头桩柱绕流水动力特性，并与现场观测试验结果对比，得到如下结论: (1)绕流阻力系数CD、升力系数CL呈现周期性变化，变化频率基本满足fCd=2fCl，系数CD值符合现场观测试验结果。桩周动水压力在来流正前方最大，桩柱两侧动水压力对称分布，桩柱前后存在压力差，且动水压力沿水深的分布规律同流速沿水深的分布规律，与码头现场监测结果一致。 (2)流速在1m/s～2m/s变化时，对桩柱的升力、阻力系数影响可以忽略;斯特劳哈数St随流速的增大而增大，即漩涡脱落快。 (3)随桩间距L的增大，四桩柱的尾流表现出不同的流场结构形式，桩柱之间流场的干扰减弱。对于串列四桩柱，上游桩柱的边界层分离点位置逐渐后移，在L≥5D时，边界层分离点的位置基本不变，St数保持不变;在L≥7D后，平均CD基本保持不变。对于并列四桩柱，绕流流场对称;双圆柱绕流中的双稳现象消失，空隙水流流动始终偏向外侧;在L=2D～5D时，桩1、桩2流场的漩涡同步反相脱落，在L=7D～9D时桩1、桩2的漩涡同步同相脱落;在L≥4D时，各桩柱绕流流场间的干扰基本可以忽略，系数CD、CL、St、边界层分离点均保持不变。获得了不同桩间距下桩柱绕流阻力的遮流影响系数、横向影响系数，供设计计算参考。 (4)三维数值模拟显示桩柱绕流流场呈现三维特性:绕流形成的湍流状态卡门涡街由尺度大小不一的三维涡管组成，同一涡管在展向上并不是竖直壁面，涡管展向流速在不同水深处大小不同，不同水深截面的流场瞬时形态不同。并列双桩柱之间钢横撑的存在将整个双桩柱绕流流场分为三部分，使得桩柱的绕流升力平均值不再为零;钢纵撑对桩柱绕流流场的干扰可以忽略不计。 |
| 作者： | 陈刚 |
| 专业： | 水利工程；港口、海岸及近海工程 |
| 导师： | 刘明维 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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