模型橋墩附近流場(chǎng)三維水流分布研究

模型橋墩附近流場(chǎng)三維水流分布研究

近年來(lái)，一些河流中沙子過(guò)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(huì)造成橋梁墩臺(tái)晃動(dòng)、墩頂橫向振幅超限,威脅橋梁的安全與穩(wěn)定。工程實(shí)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(duì)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(cè),因此開(kāi)展這方面的研究對(duì)于完善橋墩局部沖刷理論與橋梁墩臺(tái)防護(hù)工程設(shè)計(jì)都具有重要意義。本文擬通過(guò)概化水力模型,研究采用攔沙壩防護(hù)后橋梁墩臺(tái)周?chē)娜S水流結(jié)構(gòu)、沖坑形態(tài)和深度變化。運(yùn)用ADV流速儀對(duì)橋墩局部沖刷穩(wěn)定后的三維流場(chǎng)進(jìn)行精細(xì)測(cè)量,同時(shí)以典型沖坑為邊界的三維水流數(shù)值模擬結(jié)果與其對(duì)照,深入研究橋墩局部流場(chǎng)特性及攔沙壩對(duì)局部沖刷的影響。1橋附近三維速度場(chǎng)的測(cè)量和分析1.1模型床沙與概化單體試驗(yàn)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(jiàn)圖1。通過(guò)水力模擬,探求橋墩局部沖刷坑的流場(chǎng)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(yàn)在長(zhǎng)15m、寬0.8m的玻璃水槽中進(jìn)行,采用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀(AcousticDopplerVelocity,ADV)流速儀監(jiān)測(cè)流場(chǎng)三維流速。按不同設(shè)計(jì)洪水、不同防護(hù)壩布置進(jìn)行沖刷試驗(yàn),最大來(lái)流流速v=4.3～6.2m/s,相應(yīng)來(lái)流的弗勞德數(shù)Fr=0.8～1.2。1.2維流速場(chǎng)實(shí)測(cè)SontekADV是一種單點(diǎn)、高分辨率流速儀,它依據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng),使用一個(gè)發(fā)送器與三個(gè)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(hào),通過(guò)信號(hào)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(yàn)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(diǎn)0位于橋墩承臺(tái)面前沿中點(diǎn)。流速測(cè)點(diǎn)分布取決于橋墩流場(chǎng)特性,沖刷坑內(nèi)x方向測(cè)點(diǎn)間距為4cm,y方向測(cè)點(diǎn)間距取2.5cm;z方向測(cè)點(diǎn)間距取1.0cm。對(duì)于不同設(shè)計(jì)洪水試驗(yàn),待橋墩局部沖刷基本穩(wěn)定后,對(duì)橋墩附近流速場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。驗(yàn)證試驗(yàn)表明,橋墩繞流關(guān)于x軸對(duì)稱(chēng),因此試驗(yàn)僅測(cè)量了y>0的部分,流速場(chǎng)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(guò)濾及其它處理。ADV相關(guān)系數(shù)是由流速儀計(jì)算結(jié)果直接輸出的數(shù)據(jù)品質(zhì)參數(shù),用于監(jiān)控?cái)?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(guò)濾。分析過(guò)濾后的實(shí)測(cè)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(chǎng)。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(zhǎng)箭頭所示。1.3下潛水流中的脈動(dòng)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(shí)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(shí)部分的水流則很明顯的產(chǎn)生了下沖的趨勢(shì),形成墩前下潛水流和橋墩周?chē)鲌?chǎng)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?jiǎng)恿?是來(lái)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(lái)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(shí)形成燕尾型堆丘,橋墩沖坑平面形態(tài)見(jiàn)圖5。根據(jù)ADV流速儀采集的瞬時(shí)流速資料,統(tǒng)計(jì)得到橋墩流場(chǎng)各測(cè)點(diǎn)的三維脈動(dòng)強(qiáng)度Tx、Ty、Tz。該區(qū)域水流脈動(dòng)強(qiáng)度的垂向分布規(guī)律有兩種類(lèi)型,可以用墩前(側(cè)向)非尾流區(qū)的脈動(dòng)強(qiáng)度垂線分布和墩后尾流區(qū)內(nèi)的脈動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度沿垂線變化趨勢(shì)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(dòng)強(qiáng)度較大,在y/h=0.06～0.1處達(dá)到最大值;三個(gè)方向脈動(dòng)強(qiáng)度變動(dòng)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(gè)拐點(diǎn),表明不同流層中的尾流旋渦影響了脈動(dòng)強(qiáng)度的垂線分布。橫向脈動(dòng)強(qiáng)度Ty值和變幅明顯大于Tx、Tz,說(shuō)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(wú)橋梁防護(hù)壩時(shí)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(duì)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(gè)穩(wěn)定的水深與相對(duì)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(duì)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(gè)新的特點(diǎn):(1)增加防護(hù)壩壩頂高程,減小了局部水面比降,會(huì)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(guò)高也會(huì)引起橋梁下游局部壅水,影響橋梁過(guò)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(wú)防護(hù)壩時(shí)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(huì)以影響橋墩局部沖坑的深度和范圍。如果L過(guò)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(huì)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(duì)給定的橋梁與洪水、河床邊界條件,有一個(gè)最佳值。試驗(yàn)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(chǎng)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(shí)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(duì)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(dòng)溫度連續(xù)方程?ui?xi=0(1)動(dòng)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(dòng)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(shí)間;ui為i方向的速度分量;νt為紊動(dòng)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(dòng)動(dòng)能k及紊動(dòng)動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)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(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng),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(yàn)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(jì)算采用有限體積法對(duì)每一控制體分別進(jìn)行水量和動(dòng)量平衡計(jì)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(shí)沿坐標(biāo)方向?qū)Ψ匠探M進(jìn)行離散,形成離散方程。對(duì)相鄰控制體,跨控制體間界面輸運(yùn)的通量大小相等,方向相反,整個(gè)計(jì)算區(qū)域沿所有內(nèi)部邊界的通量相互抵消。對(duì)由多個(gè)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(jì)算采用適用于兩種或多種互不穿透流體相間界面追蹤計(jì)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(lái)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(méi)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(gè)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(jì)算的結(jié)果與分析評(píng)價(jià)2.2.1單次啟動(dòng)工況流態(tài)圖和正截面線采用單體模型實(shí)測(cè)橋墩局部沖刷穩(wěn)定后的河床地形,確定數(shù)值模型計(jì)算范圍(水流方向長(zhǎng)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(zhǎng)2cm、寬2cm、高2.4cm,水流條件按照單體物理模型試驗(yàn)工況組次安排設(shè)置。計(jì)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(guò)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(shí),模擬區(qū)流場(chǎng)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(chǎng)(圖10)。2.2.2單寬流速垂向分布模型試驗(yàn)驗(yàn)證將數(shù)值模擬有關(guān)水流流態(tài)、水面線、流速分布的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)錄像和ADV測(cè)速儀實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比,均比較吻合,這里只介紹橋墩沖刷坑附近三維流速場(chǎng)的對(duì)比結(jié)果。將圖4的ADV實(shí)測(cè)三維流速場(chǎng)與圖9、圖10的數(shù)值模擬三維流速場(chǎng)進(jìn)行對(duì)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(dòng)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(shí)測(cè)流速分布及近水面流速特點(diǎn)。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(shí),將墩前垂向中軸線(x=1.0m,y=0)時(shí)流速分布的模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)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(mài)、v、w值的相對(duì)誤差都很小,基本在5%～10%以?xún)?nèi),說(shuō)明ADV測(cè)量值與數(shù)值模擬結(jié)果能夠相互驗(yàn)證橋墩沖刷坑內(nèi)流速分布的真實(shí)一致性。從流速垂線分布曲線上可以看到:測(cè)量值分布存在偶然誤差,而計(jì)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(shí)增至最大,而后又開(kāi)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(diǎn)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(diǎn)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(duì)橋墩局部沖刷起主導(dǎo)作用?？v向流速在分界點(diǎn)以下0.72～0.80時(shí)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(shí)均流速量值很小,沿垂線波動(dòng)微弱,對(duì)橋墩局部沖刷的影響可略。兩類(lèi)模擬流場(chǎng)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(chǎng)的特征,并可補(bǔ)充試驗(yàn)測(cè)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(shí)測(cè)了橋墩局部沖刷坑的三維流速分布,統(tǒng)計(jì)分析了橋墩附近的水流紊動(dòng)強(qiáng)度特點(diǎn),并分析給出了有攔沙防護(hù)壩時(shí)橋墩局部沖刷的新特點(diǎn):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(guò)近反而會(huì)造成橋墩局部沖刷深度增大;防護(hù)壩壩頂高程與位置