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原文传递近海岸桥墩冲刷理论与数值模拟

论文题名：	近海岸桥墩冲刷理论与数值模拟
关键词：	桥墩结构;冲刷作用;波流特征;输沙率;床面变形
摘要：	跨江、跨海桥梁下部的桥墩冲刷威胁桥梁的安全，引起了广泛关注。然而该问题所涉及的水沙作用理论关系的研究还不够深入，导致桥墩周围流场、输沙及冲刷的预测还存在不足。与河流水流环境不同，近海岸环境的波流水动力特性更加复杂，如波流演变、往复流等等。本文主要通过水-沙-结构物作用机理关系的深入研究，建立起合理的数值模型，通过研究床面冲刷大变形问题的数值模拟技术，实现近海岸桥墩冲刷的模拟，并分析研究了近海岸桥墩波流冲刷过程的波流与泥沙输移、床面冲刷的作用机制。　　本文基于粒子图像测速仪(PIV)测得的粗糙床面近壁区流场数据，对现湍流模型进行了修正;建立了适用于局部冲刷的非平衡输沙床面变形模型;通过分析桥墩迎流面强脉动涡流场特征，建立了脉动特征量与输沙率的关系;通过水、沙运动和床面变形理论的耦合，建立了波流冲刷数值模型;基于此数值模型，首次实现了近岸桥墩周围流场和冲刷的数值模拟。主要工作及取得的创新性成果如下: 　　(1)基于本文中直接数值模拟验证过的PIV数据，对k-ε湍流模型中与涡粘系数相关的关键参数cμ，以及近壁面湍动能k进行了修正，得到了cμ和k与粗糙度雷诺数k+s的定量关系。将修正后的关系植入k-ε湍流模型，提高了粗糙床面近壁面区流场模拟的准确性。　　(2)建立了基于非平衡输沙理论的床面变形模型，通过陡坎下游局部冲刷试验，验证了该模型应用于局部冲刷这种床面大变形情况的适用性。在本文试验条件下，得到了非平衡输沙模型中的调整长度这一关键参数的定量取值。　　(3)墩柱前马蹄涡的存在导致其下方床面切应力不仅时均值而且脉动值较大，进而导致输沙率增大。本文考虑马蹄涡引起的强脉动影响，得到一个新的输沙率公式，不仅适用于墩周强涡流而且适用于明渠均匀湍流的输沙计算。　　(4)基于OpenFOAM开源CFD程序，将水动力、输沙和床面变形模型在不同计算网格求解，通过不同网格节点处物理量传递，实现了水、沙运动和床面变形的耦合计算，并用试验数据验证了该数值耦合计算方法的合理性和可靠性。　　(5)创建了融合MATLAB于OpenFOAM平台进行计算网格人工修复的技术，解决了冲刷计算中动网格出现的畸变问题，首次实现了近海岸桥墩冲刷的实时模拟。验证结果表明该网格修复方法和技术合理可靠，为动网格模拟中的大变形问题提供了借鉴办法和思路。
作者：	李金钊
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	齐梅兰
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文