不對稱臺階地形下墩柱流場的三維數(shù)值模擬

不對稱臺階地形下墩柱流場的三維數(shù)值模擬

在沿海地區(qū)，風力發(fā)電的支柱基礎和海上橋梁的橋墩屬于柱狀結構。墩柱周圍流體的渦漩運動對其附近的床面局部沖刷、船舶航行等有很大的影響,危及建筑物穩(wěn)定和行船安全。近年來,許多學者對波浪和墩柱之間的相互作用進行了大量細致的研究工作。HDjerid等利用LDV和PIV技術研究了高雷諾數(shù)情況下墩柱附近的紊動特性。Wei等運用PIV研究了正弦曲線圓柱后的三維尾流特性。戴光清等研究了圓柱振蕩流中的斜向渦街,利用粒子成像測速儀(DPIV),對圓柱體在靜水中作正弦振動產生的振蕩流場進行了實測研究。田偉平和張華慶等人則通過流動顯示技術,研究了墩前角區(qū)流場結構,得到了馬蹄渦強度變化與流場參數(shù)的關系。孔憲雷等基于Boussinesq方程的波浪數(shù)學模型模擬了淺水區(qū)域墩柱群周圍的波浪變形。李玉成和周益人等利用波浪彌散關系迭代計算得到波向與流向的夾角,并采用有限元法求解緩坡方程,研究了緩變地形和斜交定常流場共同影響下大尺度圓柱周圍的波流場情況。陸夕云、Hara和Mei等通過數(shù)值求解三維Navier-Stokes方程,分析了圓柱振蕩繞流的三維不穩(wěn)定性及其三維流場結構。目前波浪作用下墩柱繞流結構的相關研究還比較欠缺,特別是近岸淺化后的波浪與墩柱相互作用方面的研究,但現(xiàn)實中墩柱大多修建在近岸區(qū),利用Flow-3D軟件,二次開發(fā)建立三維波浪數(shù)值水槽,研究淺化波浪作用下墩柱周圍水流流動特性。1數(shù)學模型1.1流體密度與加速度連續(xù)性方程和動量方程中含有體積和面積分數(shù)參數(shù),具體表達式:連續(xù)性方程:??x(uAx)+??y(uAy)+??z(uAz)=0(1)??x(uAx)+??y(uAy)+??z(uAz)=0(1)動量方程:????????????u?t+1VF{uAx?u?x+vAy?u?y+wAz?u?z}=?1ρ?p?x+Gx+fx?v?t+1VF{uAx?v?x+vAy?v?y+wAz?v?z}=?1ρ?p?y+Gy+fy?w?t+1VF{uAx?w?x+vAy?w?y+wAz?w?z}=?1ρ?p?z+Gz+fz(2){?u?t+1VF{uAx?u?x+vAy?u?y+wAz?u?z}=-1ρ?p?x+Gx+fx?v?t+1VF{uAx?v?x+vAy?v?y+wAz?v?z}=-1ρ?p?y+Gy+fy?w?t+1VF{uAx?w?x+vAy?w?y+wAz?w?z}=-1ρ?p?z+Gz+fz(2)式中:ρ為流體密度;VF是可流動的體積分數(shù);Ax、Ay、Az分別代表著x、y、z三個方向可流動的面積分數(shù);u、v、w為對應x、y、z的速度分量;Gx、Gy、Gz為物體在x、y、z三個方向上的重力加速度;fx、fy、fz為物體在x、y、z三個方向上的粘滯力加速度。采用重整化群(RNGκ-ε)紊流模型,并運用FAVOR技術,能夠較好的模擬復雜邊界情況。1.2斜截面及網格劃分計算工況參照波浪作用下墩柱周圍局部沖刷機理實驗研究,計算域取50m×1.5m×1.0m,水槽水深為0.6m。造波邊界設置在水槽左側,水槽前后兩側及頂面設為對稱邊界,底面設為固壁邊界,右邊界設置為出流邊界疊加斜坡孔隙結構。斜坡孔隙結構中孔隙率為0.8,粒徑為0.1m,坡比為1∶3,孔隙結構后面水域寬度為1.0m。由于波面附近物理量變化比較劇烈,所以在波面變化范圍內加密網格。為了更好的研究墩柱周圍水動力特性,在以墩柱為中心向迎水、背水、左側和右側的0.3m范圍內加密網格,加密后網格長度為2cm,保證了X-Z平面上的最大網格和最小網格比值在5倍以下(如圖1)。網格劃分為424×40×36,總網格數(shù)為61.06萬個。1.3實驗結果和討論為了驗證建立的數(shù)值波浪水槽的可靠性,采用王珍的實驗數(shù)據(jù)作為驗證資料。其水槽試驗中圓柱的直徑D為16cm,高1.2m。布置如圖2所示,臺階地形總長度為17.4m,高0.32m,前坡長6.4m,坡度為1/20,后坡長1.0m,坡度為1/3.2,中間平臺段長10.0m,墩柱固定在中間平臺段中心處。波高0.17m,周期1.7s,波速2.18m/s,波長4.36m。從圖3中可以看出實測和計算的波高數(shù)據(jù)吻合較好,尤其是在斜坡中圖(3(b))和斜坡頂圖(3(c))處,表明利用此模型研究墩柱周圍流場特性的可靠程度。圖4是選取墩柱前一點實測流速和計算流速比較圖(d=6.8cm)。從圖4中可以看出,實測流速和計算流速吻合較好,通過對水平流速圖(4(a))可知兩者相差最大值為0.15m,最小值為0.01m,而比較橫向流速圖(4(b))得出兩者相差最大值為0.12m,最小值為0.008m。從驗證的結果來看,采用的數(shù)值波浪水槽是合理的,同時也表明所建立的數(shù)值波浪水槽可以用于各種波浪情況下的數(shù)值模擬。2計算和結果分析2.1模型參數(shù)選用圓柱柱徑D為16cm,結合7種不同波浪情況進行數(shù)值模擬。表1是7種波況的相關參數(shù)。2.2波浪傳播的引導圖5給出波況B的一個周期來研究墩柱附近的表面流場(d=15cm)。從圖5中可以看出在波浪從左向右傳播過程中,水質點做往復振蕩運動。當波浪水質點受到反射作用以較大的流速從右向左運動時,與下一周期的一個波浪相遇,水流在墩柱迎水面形成渦旋特征不明顯的漩渦,并很快被反向運動的水流沖散。隨后水質點與回流在墩柱背水面相遇,形成較為明顯的對稱漩渦,新發(fā)展的漩渦很快又被回流沖散,進而進入下一個震蕩周期,而波浪在臺階地形傳播的過程中墩柱的迎水面沒有明顯的渦動結構。2.3東墩柱的表面典型東旋回回回波的特征,c圖6給出了一個周期內軸向渦量的三維等值面圖(波況B)。圖中高渦量成對稱狀聚集在墩柱的背水面,少許聚集在迎水面,表面渦量較大,在向底部延伸的過程中不斷減小。在墩柱背水面形成了一對渦對旋轉方向相反的渦結構。在t=3π/4和t=π時刻,墩柱的迎水面出現(xiàn)許多小的渦結構,這是波峰水質點與回流相互作用的結果。而在t=5π/4和t=3π/2時刻,由于波峰水質點繼續(xù)向后運動,拖拽渦對結構向后延伸,隨著回流的進一步影響,渦對結構逐漸萎縮。2.4ter參數(shù)和周期研究表明,近岸建筑物周圍的泥沙沖刷程度和沖刷后的海底地形與建筑物的尺度有關,在對海底管線、圓柱或防波堤堤頭周圍泥沙的沖刷研究中發(fā)現(xiàn),沖刷情況與Keulegan-Carpenter參數(shù)(KC數(shù))有很大關系,KC數(shù)定義:KC=UmTDΚC=UmΤD式中:Um為水質點橫向速度的最大值,T為波浪周期,D為管線、圓柱或防波堤堤頭的直徑。從表2中可以看出:波浪在臺階地形上的傳播過程中,周期對KC值的影響比波高的影響要明顯。在周期相同的波浪情況下,波高增大流速略微增大,KC值有所增大,如波況C、D和波況E、F(見表2)。而周期增大,不但周期自身增大并且導致流速增大。因而,周期變化對KC值的影響要比波高明顯的多。隨著KC值相應增大,波浪在墩柱的周圍形成馬蹄形漩渦,這是引起墩柱周圍地形沖刷的關鍵因素。2.5不同相位條件下流速場分布圖7給出計算參數(shù)H=0.17m、T=2.0s時,一個周期內墩柱正面、側面和背面的水平流速分布。選取距墩柱表面0.16m(一倍墩柱直徑距離)和0.32m(兩倍墩柱直徑距離)范圍,從墩柱正面、側面、背面研究不同相位時沿水深變化的水平流速分量。圖中虛線表示線上各點流速為零,h=0.28m,U0m=2.18m/s。從圖7中可以看出,在墩柱的作用下水流結構比較紊亂,水質點往復運動。迎水面的水質點在傳播的過程中由于受到墩柱的阻擋,流體表面水平方向流速變化劇烈,近底區(qū)域水平方向流速沿水深均勻變化,且有負值出現(xiàn);墩柱兩側的流體表面水平流速變化最為劇烈;背面區(qū)域在墩柱的掩護作用下,流體表面水平方向的流速變化不大。在墩柱的正面和側面出現(xiàn)了明顯的豎向環(huán)流,背水面則無明顯豎向環(huán)流。3規(guī)則波作用下墩柱局部特征基于Flow-3D建立三維數(shù)值波浪水槽,模擬波浪在非對稱臺階地形上的傳播,通過多組次模擬計算,結果表明臺階地形上墩柱繞流屬于復雜的三維流態(tài)。波浪在臺階地形上傳播的過程中,墩柱迎水面沒有明顯的渦動結構。高渦量呈對稱狀聚集在墩柱的背水面,少許聚集在迎水面,墩柱的背水面形成了一對渦對旋轉方向相反的渦結構。波浪在臺階地形上的傳播過程中,周期對KC值的影響比波高的影響要明顯。