模型橋墩附近流場三維水流分布研究

模型橋墩附近流場三維水流分布研究

近年來，一些河流中沙子過多，導(dǎo)致鐵路和公路橋梁附近河床的回歸，降低了橋梁橋墩底板的深度。這會造成橋梁墩臺晃動、墩頂橫向振幅超限,威脅橋梁的安全與穩(wěn)定。工程實踐表明,在橋墩下游適當(dāng)位置修建攔沙壩是一種較好的防護(hù)措施。目前攔沙壩對橋梁的防護(hù)效果及兩者間的相互影響還缺乏細(xì)致系統(tǒng)的觀測,因此開展這方面的研究對于完善橋墩局部沖刷理論與橋梁墩臺防護(hù)工程設(shè)計都具有重要意義。本文擬通過概化水力模型,研究采用攔沙壩防護(hù)后橋梁墩臺周圍的三維水流結(jié)構(gòu)、沖坑形態(tài)和深度變化。運用ADV流速儀對橋墩局部沖刷穩(wěn)定后的三維流場進(jìn)行精細(xì)測量,同時以典型沖坑為邊界的三維水流數(shù)值模擬結(jié)果與其對照,深入研究橋墩局部流場特性及攔沙壩對局部沖刷的影響。1橋附近三維速度場的測量和分析1.1模型床沙與概化單體試驗典型橋梁選擇下游采用攔沙壩防護(hù)的隴海線氵產(chǎn)河鐵路橋,單墩布置形式及尺寸見圖1。通過水力模擬,探求橋墩局部沖刷坑的流場特性。模型幾何比尺為1∶25,模型床沙采用天然沙,中徑d50=0.55mm,橋墩及攔沙壩用有機(jī)玻璃制作。概化單體試驗在長15m、寬0.8m的玻璃水槽中進(jìn)行,采用聲學(xué)多普勒測速儀(AcousticDopplerVelocity,ADV)流速儀監(jiān)測流場三維流速。按不同設(shè)計洪水、不同防護(hù)壩布置進(jìn)行沖刷試驗,最大來流流速v=4.3～6.2m/s,相應(yīng)來流的弗勞德數(shù)Fr=0.8～1.2。1.2維流速場實測SontekADV是一種單點、高分辨率流速儀,它依據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng),使用一個發(fā)送器與三個接收器,接收經(jīng)水體中固體微粒散射后產(chǎn)生的頻率差信號,通過信號處理軟件分析、合成,便可得到采樣水體的三維水流速度。ADV流速儀在水槽試驗中使用連接如圖2所示。單體模型中的坐標(biāo)系統(tǒng)如圖3所示:x為水流反方向,y為垂直水槽邊壁方向,z為鉛垂向上,坐標(biāo)原點0位于橋墩承臺面前沿中點。流速測點分布取決于橋墩流場特性,沖刷坑內(nèi)x方向測點間距為4cm,y方向測點間距取2.5cm;z方向測點間距取1.0cm。對于不同設(shè)計洪水試驗,待橋墩局部沖刷基本穩(wěn)定后,對橋墩附近流速場進(jìn)行測量。驗證試驗表明,橋墩繞流關(guān)于x軸對稱,因此試驗僅測量了y>0的部分,流速場進(jìn)行了鏡像處理。采用Matlab程序?qū)Σ杉娜S流速數(shù)據(jù)進(jìn)行了過濾及其它處理。ADV相關(guān)系數(shù)是由流速儀計算結(jié)果直接輸出的數(shù)據(jù)品質(zhì)參數(shù),用于監(jiān)控數(shù)據(jù)質(zhì)量。理想相關(guān)值應(yīng)該是在70%～100%,把相關(guān)值小于70%的流速全部過濾。分析過濾后的實測流速數(shù)據(jù)資料,可得到橋墩沖刷坑附近的三維流速矢量場。圖4(單寬流量q=5.59m3/s·m)從不同視角反映了流速矢量的空間分布,水流方向如長箭頭所示。1.3下潛水流中的脈動強(qiáng)度受橋墩阻水影響,墩前水流分成了兩部分:當(dāng)y/h>0.6時部分的水流直沖橋墩,在墩前產(chǎn)生向上的涌浪;當(dāng)y/h<0.6時部分的水流則很明顯的產(chǎn)生了下沖的趨勢,形成墩前下潛水流和橋墩周圍流場的旋渦體系。橋墩繞流的擠壓作用使兩側(cè)流流速加大,形成局部水面跌落與回升,橋墩末端形成尾流渦旋區(qū)。在水流中加入高錳酸鉀示蹤劑,可清楚地看到在墩后中部形成立軸漩渦。橋墩局部沖刷的主要動力,是來自墩前大尺度的橫軸環(huán)流。下潛水流在坑底沿橋墩兩側(cè)生成馬蹄形漩渦使河床淘刷向兩側(cè)與下游延伸;不斷地從橋墩末端釋放出來尾流旋渦,又促進(jìn)橋墩下游續(xù)沖刷進(jìn)一步發(fā)展,同時形成燕尾型堆丘,橋墩沖坑平面形態(tài)見圖5。根據(jù)ADV流速儀采集的瞬時流速資料,統(tǒng)計得到橋墩流場各測點的三維脈動強(qiáng)度Tx、Ty、Tz。該區(qū)域水流脈動強(qiáng)度的垂向分布規(guī)律有兩種類型,可以用墩前(側(cè)向)非尾流區(qū)的脈動強(qiáng)度垂線分布和墩后尾流區(qū)內(nèi)的脈動強(qiáng)度垂線分布分別表征。墩前與橋墩兩側(cè)非尾流區(qū)的脈動強(qiáng)度沿垂線變化趨勢相似,如圖6所示。下潛水流使Tx、Ty、Tz在近底附近(y/h=0.04～0.12)脈動強(qiáng)度較大,在y/h=0.06～0.1處達(dá)到最大值;三個方向脈動強(qiáng)度變動幅度和最大值遵循:Ty>Tz>Tx;在y/h=0.15～0.8的范圍內(nèi),Tx、Ty、Tz的變幅接近于零。圖7顯示尾流區(qū)內(nèi)的Tx、Ty、Tz垂線分布曲線有多個拐點,表明不同流層中的尾流旋渦影響了脈動強(qiáng)度的垂線分布。橫向脈動強(qiáng)度Ty值和變幅明顯大于Tx、Tz,說明在尾流區(qū)邊界層分離引起的橫向渦旋非常強(qiáng)烈。1.4有攔沙防護(hù)壩結(jié)構(gòu)局部沖刷的結(jié)構(gòu)修建攔沙壩后的橋梁局部沖刷水流現(xiàn)象與無橋梁防護(hù)壩時基本相似。但由于攔沙壩的存在形成了橋梁下游新的水流邊界條件,對橋墩下游產(chǎn)生的壅水作用,使橋墩至攔沙壩前沿河段可以保持一個穩(wěn)定的水深與相對變緩的水面坡降,從而減小了橋墩局部沖刷,河床侵蝕下切的上延也被阻攔,對橋梁起到了有效的保護(hù)作用。有攔沙防護(hù)壩的橋墩局部沖刷具有以下幾個新的特點:(1)增加防護(hù)壩壩頂高程,減小了局部水面比降,會使橋墩局部沖刷坑深度相應(yīng)減小。但防護(hù)壩壩頂高程過高也會引起橋梁下游局部壅水,影響橋梁過流能力與堤岸的防洪標(biāo)準(zhǔn)。相同防護(hù)壩頂高程下,橋墩沖刷坑深度隨流量的增加相應(yīng)增大,但最大沖刷深度均比無防護(hù)壩時小。(2)改變攔沙壩與橋墩之間的距離L,改變橋墩下游河床縱坡,也會以影響橋墩局部沖坑的深度和范圍。如果L過近,使防護(hù)壩壩前橫軸環(huán)流與橋墩后的尾流旋渦疊加,反而會造成橋墩局部沖刷深度增大。(3)從保護(hù)橋墩與防洪兩者綜合考慮,防護(hù)壩的壩頂高程與位置對給定的橋梁與洪水、河床邊界條件,有一個最佳值。試驗表明一般攔沙壩頂高程高于墩軸線河床原始高程,以Δz=0.5～1.0m為宜,橋墩與攔沙壩之間調(diào)整后的底坡ic宜控制在-0.011～-0.022(ic=Δz/L)。2橋附近三維流場的值的模擬分析2.1k-湍流模型三維水流數(shù)學(xué)模型的建立,選用FDM方法求解粘性流體雷諾微分方程。應(yīng)用k-ε湍流模型補(bǔ)充方程求解雷諾應(yīng)力,使不可壓湍流基本方程在時間平均后得到封閉方程組。處理自由表面采用VOF即體積函數(shù)技術(shù),對水面進(jìn)行良好的跟蹤,另外模型采用笛卡爾坐標(biāo)系均勻立方體網(wǎng)格。2.1.1流體密度及紊動溫度連續(xù)方程?ui?xi=0(1)動量方程?uˉi?t+?uˉiuˉj?xj=??p?xi+??xj[νt(?uˉi?xj+?uˉjxi)](2)連續(xù)方程?ui?xi=0(1)動量方程?uˉi?t+?uˉiuˉj?xj=-?p?xi+??xj[νt(?uˉi?xj+?uˉjxi)](2)式中ρ為流體密度;p為壓強(qiáng);t為時間;ui為i方向的速度分量;νt為紊動粘性系數(shù)。式(2)中νt為未知參數(shù),按照目前常用的k-ε紊流模型,νt由下式確定:νt=cuk2ε(3)νt=cuk2ε(3)其中單位水體紊動動能k及紊動動能耗散率ε的輸運方程為?k?t+ui?k?xi=??xi[(νtσk)?k?xi]+G?ε(4)?ε?t+ui?ε?xi=??xi[(νtσε)?ε?xi]+C1εkG+C2ρε2k(5)?k?t+ui?k?xi=??xi[(νtσk)?k?xi]+G-ε(4)?ε?t+ui?ε?xi=??xi[(νtσε)?ε?xi]+C1εkG+C2ρε2k(5)此處G為紊動動能產(chǎn)生項,用下式表示:G=νt[2(?ui?xi)2+(?ui?xj+?uj?xi)2](6)G=νt[2(?ui?xi)2+(?ui?xj+?uj?xi)2](6)在上述紊流模型方程中,經(jīng)驗系數(shù)取值為:C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。2.1.2自由水面計算采用有限體積法對每一控制體分別進(jìn)行水量和動量平衡計算,得到一組以控制體特征量平均的物理量為未知數(shù)的代數(shù)方程組,同時沿坐標(biāo)方向?qū)Ψ匠探M進(jìn)行離散,形成離散方程。對相鄰控制體,跨控制體間界面輸運的通量大小相等,方向相反,整個計算區(qū)域沿所有內(nèi)部邊界的通量相互抵消。對由多個控制體組成的區(qū)域,都嚴(yán)格滿足物理守恒定律。自由水面計算采用適用于兩種或多種互不穿透流體相間界面追蹤計算的VOF法。在VOF模型中,引入了體積分?jǐn)?shù)變量aq(第q相流體的體積分?jǐn)?shù)),根據(jù)控制網(wǎng)格單元中aq值來判斷該控制網(wǎng)格中第q相流體的充盈情況:aq=0表示該控制網(wǎng)格內(nèi)沒有第q相流體;aq=1表示該控制網(wǎng)格內(nèi)完全充滿第q相流體;0<aq<1表示該控制網(wǎng)格內(nèi)包含第q相流體與其他流體的相間界面。在每個控制單元格內(nèi)各相體積分?jǐn)?shù)之和為1。2.2結(jié)果表明，模擬計算的結(jié)果與分析評價2.2.1單次啟動工況流態(tài)圖和正截面線采用單體模型實測橋墩局部沖刷穩(wěn)定后的河床地形,確定數(shù)值模型計算范圍(水流方向長800cm,平面垂直水流方向?qū)?0cm,豎直方向高56cm)。有限控制體網(wǎng)格尺寸為:長2cm、寬2cm、高2.4cm,水流條件按照單體物理模型試驗工況組次安排設(shè)置。計算結(jié)果主要包括不同工況水體空間分布、流速空間分布、水體壓強(qiáng)分布等。經(jīng)過可視化處理繪制成流態(tài)圖、流速矢量圖以及水面線。這里僅給出單寬流量為8.4m3/(s·m)、墩壩間距75m、壩頂高390m工況時,模擬區(qū)流場流態(tài)(圖8)、橋墩局部流速矢量分布(圖9)以及模擬區(qū)三維流速場(圖10)。2.2.2單寬流速垂向分布模型試驗驗證將數(shù)值模擬有關(guān)水流流態(tài)、水面線、流速分布的計算結(jié)果與試驗錄像和ADV測速儀實測值進(jìn)行了對比,均比較吻合,這里只介紹橋墩沖刷坑附近三維流速場的對比結(jié)果。將圖4的ADV實測三維流速場與圖9、圖10的數(shù)值模擬三維流速場進(jìn)行對比,可以看到兩種模擬均有墩前下切流速和橫軸環(huán)流的流動特征,都有墩前涌浪和向橋墩兩側(cè)分流的現(xiàn)象,環(huán)流的位置與強(qiáng)度兩者也相仿。在圖4和圖9中都可以看到墩后形成的低速區(qū)與尾部立軸漩渦區(qū);圖10中反映的流速垂向分布也完全符合橋墩附近實測流速分布及近水面流速特點。在單寬流量為q=5.59m3/(s·m)、攔沙壩距橋墩中心線45m、壩頂高程390.5m工況時,將墩前垂向中軸線(x=1.0m,y=0)時流速分布的模型試驗實測值與數(shù)值模擬計算值進(jìn)行了對比(圖11)。由圖可以看到,兩種方法得到的x(縱)、y(橫)、z(垂)三方向上相應(yīng)流速u、v、w值的相對誤差都很小,基本在5%～10%以內(nèi),說明ADV測量值與數(shù)值模擬結(jié)果能夠相互驗證橋墩沖刷坑內(nèi)流速分布的真實一致性。從流速垂線分布曲線上可以看到:測量值分布存在偶然誤差,而計算值分布更偏于連續(xù)光滑。垂向流速在沖坑深度為一半位置時增至最大,而后又開始減小,至近底部最小。以垂向流速最大位置為分界,在分界點以上縱向流速與水流方向一致,越靠近水面流速越大;而在分界點以下縱向流速則與水流方向相反,垂向流速與縱向流速共同作用下形成了墩前橫軸環(huán)流,對橋墩局部沖刷起主導(dǎo)作用。縱向流速在分界點以下0.72～0.80時沖坑深度處達(dá)到最大;受邊界黏性底層的影響,越近底流速相應(yīng)越小。墩前橫向時均流速量值很小,沿垂線波動微弱,對橋墩局部沖刷的影響可略。兩類模擬流場的相似性表明,數(shù)值模擬結(jié)果基本符合橋墩局部沖刷及繞流流場的特征,并可補(bǔ)充試驗測量值的不完善性。3有攔沙壩橋墩局部沖刷深度的數(shù)值模擬分析(1)采用ADV流速儀實測了橋墩局部沖刷坑的三維流速分布,統(tǒng)計分析了橋墩附近的水流紊動強(qiáng)度特點,并分析給出了有攔沙防護(hù)壩時橋墩局部沖刷的新特點:增加防護(hù)壩可以使橋墩局部沖刷坑深度相應(yīng)減小;攔沙壩與橋墩之間的距離L如過近反而會造成橋墩局部沖刷深度增大;防護(hù)壩壩頂高程與位置