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原文传递改进数值模型与群桩基础桥墩局部冲刷的CFD模拟

论文题名：	改进数值模型与群桩基础桥墩局部冲刷的CFD模拟
关键词：	跨河桥梁;串列桥墩;局部冲刷;群桩基础;改进数值模型;计算流体动力学;数值模拟
摘要：	桥墩局部冲刷是造成跨河桥梁水毁的主要原因之一。合理的最大冲刷深度估计是桥梁墩台基础设计的重要依据。随着计算机性能的提高，基于计算流体动力学（CFD）的数值模拟已逐步成为研究桥梁基础局部冲刷的有效手段。本文借助CFD方法开展了多种桥墩形式的局部冲刷研究，其主要研究内容和结论如下：　　（1）阐述了多种典型桥墩局部冲刷计算模型及其适用范围；重点针对中美两国规范桥墩局部冲刷计算条文进行了比较，指出了现行中国规范局部冲刷条文的局限性。基于美国特纳-费尔班克公路研究中心和美国地质勘探局的试验数据，采用量纲分析和多元回归分析方法，提出了新的桥墩局部冲刷深度计算公式，并通过 CFD方法确定了墩形修正系数K1和水流偏角修正系数K2，以及串列双圆柱桥墩间干扰系数β的取值。再基于不同墩形的试验数据验证了提出公式的适用性和合理性。　　（2）基于充分发展的湍流和湍流局部平衡假设，推导出了基于标准k?ε湍流模型的平衡湍流边界层模型，确定了与该模型对应的湍流来流边界条件；基于水槽试验剖面，采用最小二乘法拟合了CFD的入口湍流来流边界条件；然后通过参数敏感性分析优化了标准k?ε湍流模型参数。最后通过比较不同入口边界条件的计算结果，对提出的河床平衡湍流边界层模拟方法的适用性进行了验证。　　（3）基于 Fluent平台，二次开发了能同时考虑斜坡重力作用和泥沙坍塌效应的桥墩局部冲刷模块，并基于该模块开展了不同桥墩形式的局部冲刷 CFD模拟。获得了与 Melville水槽试验和 Beheshti水槽试验结果一致的流场特征、冲刷深度和冲刷坑形态，验证了本文数值方法的适用性和合理性。研究了墩形、长宽比和水流偏角等参数对局部冲刷深度的影响。结果表明，在四种墩形的局部冲刷中，矩形墩的冲刷深度最大，尖头墩的冲刷深度最小。在0o水流偏角下，长宽比的变化对冲刷深度的影响较小，而对冲刷坑形态和其发展范围的影响较大；而在水流偏角为5o～45o的范围内，冲刷深度随着水流偏角的增大而增大。　　（4）研究了串列、错列双圆柱桥墩间干扰效应对冲刷深度的影响。研究表明，双圆柱桥墩间干扰效应随着墩心距 L/D的增大而逐渐减弱，当墩心距大于5倍墩直径后可不考虑上、下游桥墩间的干扰效应。错列双圆柱桥墩的最大冲刷深度随水流偏角的增大而增大；当墩心距小于5倍墩直径时，如果上游桥墩对下游桥墩存在遮挡，则最大冲刷深度发生在未被遮挡侧；如果上下游桥墩之间存在狭缝，则二者之间存在“穿堂效应”，最大冲刷深度发生在上下游桥墩的狭缝侧。　　（5）以4(横桥向)×2(顺桥向)群桩基础为例，研究了其周围流场的流动特征和冲刷机理。结果表明，群桩基础桥墩的最大冲刷深度发生于迎流向第一排桩的两桩中间；整个冲刷坑的形态类似于“?”形。和串列、错列布置桥墩类似，群桩桥墩间的干扰效应仍然显著。后排桩由于受前排桩的遮挡，后排桩周围的冲刷深度比前排桩小，且越靠后排的桩冲刷深度越小。此外，水流受承台和桥墩的阻挡，向承台和桥墩两侧发生了流动分离和再附；同时还发生了沿水深方向的偏转流动，形成了下潜流等明显的流动特征。随着冲刷坑的发展，承台前端的下潜流逐渐增强；群桩基础的阻水效应较弱，水流可以从承台下面和群桩之间的间隔流过桥墩，因而在群桩基础尾流区并没有观察到显著的马蹄形漩涡和回流。在承台和桥墩后缘的下游，可以观察到明显的回流现象，尾流区形成了复杂的漩涡体系，湍动能量很高，尤其是靠近承台后缘处。
作者：	喻鹏
专业：	土木工程
导师：	祝志文
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文