基于RNG k-ε湍流模型的串列双矩形截面桥墩绕流流场特性研究

串列双矩形截面桥墩在桥梁工程中应用广泛,桥墩间距对其绕流流场特性影响显著。利用Fluent软件,基于RNG k-?湍流模型对单矩形截面桥墩、串列双矩形截面桥墩绕流非稳态瞬时流场进行数值求解,从涡量、流线、压力及横向流速等多方面,研究了不同桥墩间距工况下(L/W=2、4、6)串列双矩形桥墩绕流流场分布特征。结果表明,与单矩形桥墩相比,串列双矩形桥墩绕流流动更复杂,尾流涡体及流线弯曲区横向分布范围更广;两桥墩剪切层的生成、分离和重附受桥墩间距影响,当L/W≥4时上游桥墩尾流出现涡体的生成与脱落,桥墩间形成流线弯曲区、压力增高区和压力降低区,下游桥墩尾流形成多个压力降低区。矩形桥墩尾流横向流速呈正负交替波动,与单桥墩单一且对称分布的流速波形图相比,双矩形桥墩横向流速波形图不再对称分布;桥墩间横向流速峰值随间距增大而降低,桥墩两侧区域横向流速波动峰值较单桥墩增大,且距离桥墩中心线越远波动峰值越低。研究结果可为桥墩布设提供参考。     

串列三圆柱桥墩间距与交角对水流的偏导作用

本文基于workbench-fluent的二维模拟对串列三圆柱形桥墩的水流流场结构进行研究,探究了桥墩在不同间距以及不同串列轴线与水流方向角度组成的不同工况下对水流的偏导作用。通过采用标准k-ε湍流模型对5种不同圆柱圆心间距与直径的比值,以及6种不同桥墩串联轴线与水流夹角的组合工况进行模拟研究,结果表明:串联多圆柱形桥墩对水流的偏导作用主要有串联桥墩对水流的反射作用和由于桥墩间的压缩作用使桥墩的绕流尾迹发生偏转,造成绕流的漩涡阻力不对称分布。并进一步分析了桥墩绕流尾迹偏角与桥墩间距以及角度的相关关系。     

高雷诺数下串列双圆柱绕流的影响因素研究

针对串列双圆柱绕流问题进行了数值研究,利用Fluent软件建立二维数值模型,探究了不同柱体间距、不同柱体表面粗糙度对串列双圆柱阻力系数、升力系数、St数的影响。采用SST k-ω湍流模型,对雷诺数为1×10~6,柱体间距L/D分别为1.75、1.90、2.20、2.50,表面粗糙度Rh在0~0.5%D范围内的串列双圆柱进行数值模拟。结果表明:柱体间距L/D在1.75~2.50范围内,光滑柱体表面下,St数、后柱平均阻力系数会随着柱体间距的增加而增大;同时,柱体间距对升力系数振幅也存在极大影响。改变柱体表面粗糙度,会使柱体间距为1.75的串列双圆柱前柱平均阻力系数在Rh=0.2%D时降低7%,而各柱间距下的后柱平均阻力系数会随粗糙度的增加而减小。研究成果能够为河道桥梁建设和圆柱绕流理论研究提供基础数据。     

不等直径串列圆柱绕流大涡模拟

为研究背负式海底管线中增设的小直径附属管线对主管线的水动力影响,将大涡模拟中经典Smagorinsky亚格子模型与特征线算子分裂有限元法结合,并引入出口对流边界条件,完善了基于特征线算子分裂有限元的大涡模拟方法。通过自编程序数值模拟Re=1 000的单圆柱绕流,计算结果与相关文献吻合较好,验证了该算法计算圆柱绕流的有效性,并分析了Re=1 000时不同直径比、间距比情况下的串列双圆柱绕流,根据流场的不同涡脱落形态及两圆柱平均阻力系数、升力系数随直径比、间距比变化的规律得到了不同直径比条件下的临界间距范围。达到临界间距后,流场由单一涡脱落状态转变为双涡旋脱落状态。最后分析了两圆柱平均阻力系数及升力系数在临界间距后急剧增加的原因,为背负式海底管线的布局优化提供了理论依据。     

特征线算子分裂有限元的圆柱绕流大涡模拟

为研究圆柱绕流流场特性,将大涡模拟与特征线算子分裂有限元相结合,建立了大涡模拟特征线算子分裂有限元模型,对单圆柱和串列双圆柱绕流问题进行了数值模拟,所得结果与现有研究结果吻合较好。模拟结果表明:对单圆柱绕流,随着雷诺数的增大,圆柱近尾流区上下交替的涡旋逐渐靠近通过圆柱几何中心的水平线,且涡脱落位置逐渐靠近圆柱。对Re=1 000的串列双圆柱绕流,临界间距在圆柱直径的2.25~2.5倍之间;当两圆柱间距小于临界间距时,上游圆柱后方无明显涡旋脱落,间隙处压力较稳定;大于临界间距时,有涡旋脱落,上游圆柱尾流区上下表面交替出现强负压区。     

多圆柱绕流旋涡脱落和流场形态概论

当流体绕多个圆柱流动时,圆柱的个数、相对位置和大小都明显影响着绕流流场结构。基于已有研究成果,归纳总结了流场中放置双圆柱、三圆柱、四圆柱和流场中主圆柱附近放置1个或2个附属小圆柱时,随圆柱相对位置变化,流场结构和旋涡脱落状态的演变规律。双圆柱相对位置分串列、并列和错置3种,其绕流流态按间距比和水流攻角对旋涡脱落形态的影响划分,流态在临界间距比上下变化很大;三圆柱呈“品”字布置,当间距比小于临界值时,出现明显的偏流现象,大于临界值后不再出现偏流现象;三圆柱呈倒“品”字布置,在任何间距比下,流动状态相对于来流几乎都是对称分布的;四圆柱绕正方形排列,实验研究发现上游两圆柱后没有旋涡形成和脱落,下游两圆柱旋涡脱落反相同步,而数值模拟得到上下游柱后都有明显的涡脱落;主圆柱尾流中存在附属小圆柱时,调整小圆柱的位置能够有效抑制尾流中的旋涡脱落。     

近壁水平圆柱绕流漩涡特性流场计算

该文运用计算机数值模拟了均匀流绕固定圆柱的流场.对3种模型进行了分析,分别是:孤立圆柱绕流、串列双圆柱绕流和并列双圆柱绕流.实验中主要模拟了雷诺数为20、40和100时的绕流流动,并得到流场的速度等值线图、速度欠量图和流线图.计算结果发现:当雷诺数为40时,流场有明显变化,有趋势但并没有形成明显的卡门涡街.     

双圆柱下游污染物浓度分布特性研究

利用计算流体力学(CFD)方法,在雷诺数Re=1×10~6的条件下,对双圆柱不同布置方式下的污染物绕流现象进行了数值模拟,比较了双圆柱在不同排列方式和间距条件下对流场结构以及污染物输移混合特性的影响,分析了横向尾涡摆动和纵向速度剪切作用对污染物分布的影响机制。结果表明,双柱并列条件下,随着间距比G/D的不断变化,污染物浓度脉动强度分布沿程表现出先增大后减小的变化趋势;G/D≥2时,双圆柱各自产生的尾流涡街相互作用程度较弱,可忽略对其污染物扩散的影响。双柱串列条件下,污染物的横向影响范围经历了先增大后减小的过程;G/D≤0.25时,双柱串列可视为一个整体。     

双圆柱在不同排列方式下绕流流态模拟

双圆柱绕流伴随着流动分离、旋涡生成与脱落、旋涡间相互干扰等复杂问题,其流动形态和流动特征受圆柱相对位置影响。使用FLUENT流体软件,选取间距比1.75,2.5和4,在二维层流模型下,模拟了双圆柱串列、30°夹角错置、60°夹角错置和双圆柱并列绕流,分析了双柱绕流流态、旋涡脱落形态、升力、阻力系数随圆柱相对位置改变而变化的规律,并对比已有的试验成果和模拟成果,为桥梁建设和圆柱绕流理论研究提供了基础数据。     

开孔桥墩墩后水动力特性PIV试验

为探讨桥墩上设置开孔对墩后水流结构的影响,采用粒子图像测试技术(PIV)对矩形开孔桥墩墩后的水平面和立面流场进行了测量,并对墩后的水流结构进行了分析。结果表明:矩形开孔桥墩能够改变开孔位置所在水深处尾流的运动规律,贯穿方孔的高速水流与墩侧绕流以及墩后低速区水流形成强烈的剪切作用,抑制了大尺度旋涡的发展与运动,并且切断了墩后底部水流的上升运动轨迹;墩后瞬时流场存在周期性的运动规律,具有高度间歇特性。     

桥墩群体绕流的复变函数理论解

桥墩群体绕流的复变函数理论解给出了在平面无旋流动条件下,多个桥墩绕流的理论解,从而将经典流体力学的桥墩绕流的理论解由单个推广到了多个.采用该理论解,通过试算得出了桥墩横断面的理论曲线,可根据预定的墩间流速进行多个桥墩绕流时的横断面设计,合理地确定桥墩间距,并可给出墩间二维流场理论解.按势流处理,水流流过该理论解给出的桥墩横断面时是无分离的,虽与实际情形有所出入,但具有理论基础,因此可供桥梁工程规划、设计参考引用.     

桥墩型式对河道流态的影响分析

为了保证跨河桥梁的安全,减少桥墩对行洪的影响,对桥墩型式及布置位置对河道流态的影响进行分析是十分必要的。基于工程实例,采用MIKE21构建矩形墩、圆形墩、圆端形墩三种河道流态分析模型,分别进行河道水位、流场与桥墩型式相应的影响分析。研究发现三种墩形下,墩头两侧流速均显著增大并伴有跌水,且主槽跌水大于滩地。其中,矩形墩墩前壅水、墩后跌水及墩间流速增量最大,圆端形最小;圆形排墩沿墩轴线桥墩之间流速减小。研究成果能够为桥梁工程的规划、设计及参数优选提供参考。     

串列双圆柱涡激振动响应的数值模拟

该文利用动网格技术对雷诺数Re=100的串列双圆柱的涡激振动响应特性进行了详尽的数值研究。研究了上游圆柱固定,下游圆柱横向振动时,不同间距比(L/D=2-5)和折合流速(Ur=2.4-12)对上、下游圆柱的升阻力特性、涡激振动响应特性和圆柱间干扰效应的影响;以及下游圆柱双自由度(横向和流向振动)涡激振动响应特性。研究发现:随着间距比的增大,下游圆柱开始进入"锁定区间"的Ur减小,且下游圆柱的涡激振动对上游圆柱的影响逐渐减弱,但上游圆柱对下游圆柱的干涉效应一直存在。对于不同间距比,在折合流速Ur=7.2附近,下游圆柱的升阻力系数具有很明显的"跳跃"现象,并出现阻力峰值,且不同间距比的下游圆柱都在Ur=7.2时获得最大振幅且幅值相近,这意味着下游圆柱可能在此折合速度下被完全诱导,当下游圆柱被完全诱导振动后,间距比对圆柱振幅的影响较小。不同的折合流速下,小间距比(L/D=2)和大间距比(L/D=5)的尾流会表现出不同的流动形式和"2P"、"2S"等涡脱形式。下游圆柱双自由度振动时,流向振动相对横向振动振幅较小。     

串列双圆柱在规则波中的压力分布

本文通过实验研究，测定了串列双圆柱在规则波中柱表面压力，分析了定常压力和脉动压力沿柱周向的分布，对并列、串列双圆柱的升力进行了适当的讨论，结果表明，两柱的压力分布、升力均与两柱间距有关。     

前排桩对桥墩周围水流通航条件影响分析

前排桩是保护桥墩及保障通航安全的一种工程措施。为了探讨前排桩对桥墩周围水流通航条件的影响,该文采用RNG、k-?紊流模型对通航水域的桥墩流场及受前排桩保护桥墩的流场进行三维数值模拟。计算了各种前排桩布置形式下的水流特性,并与无前排桩保护的桥墩流场进行了对比分析,同时还进行了物模试验论证。结果表明前排桩设置后,桥墩墩前横流得到有效降低,桥墩两侧流态得到改善,桥墩周围不安全通航区域范围得到有效缩减,不安全区域范围的缩减与前排桩数量及前排桩与桥墩间的距离等因素有关。在模型试验和计算条件下,桥桩距在两倍墩宽时,桥墩周围通航不安全宽度最大范围可被缩减26.4%。     

单墩绕流的三维数值模拟

应用流体动力学软件fluent中雷诺应力方程模型和VOF方法,模拟了单墩绕流现象。结果表明:桥墩的阻水作用使墩前的水面在上游不远处开始逐渐升高,至墩前达到最高值,形成墩前的向下水流;墩后靠近桥墩水面处有逆向水流产生;水面线会受到桥墩的影响,桥梁的修建减小了断面过流面积,再加上桥墩本身的阻力,使水流流线在桥梁的上游收缩、下游扩散,形成桥墩前方的壅水现象。     

并线桥墩局部冲刷试验研究

针对并线桥墩在多沙河流上的局部冲刷问题,采用1:100正态模型水槽对桥梁平面正交在不同形状、上下游不同桥梁间距的桥墩布置进行了系列试验研究,对上下游桥墩在不同水流强度、不同桥梁间距条件下的局部冲刷过程进行系统观测和分析.结果表明,桥墩并线时,桥墩周围水流流态较为复杂,受上游墩阻水绕流影响,下游墩周围水流紊动强度减小,流...     

城镇泵站侧向进水间隔墩与圆柱结合水流流态分析

应用CFD数值模拟技术对城镇泵站侧向进水间原设计、加隔墩、加隔墩与圆柱三种方案进行流场信息对比。结果表明,侧向进水间原设计1#进水间出现大尺度回流与低速区,设置隔墩后,大尺度回流消失,低速区范围大幅缩小;2#进水间水流主流偏流,底层水流翻转,设置隔墩后,偏流与底层水流翻转现象得到好转,加入圆柱后,上述现象进一步好转,流态更加平稳;设置隔墩与圆柱结合整流措施,2#进水间特征断面回流强度大幅下降,低速区进一步减小。     

上游圆柱固定条件下串列三圆柱涡激振动响应和尾流特性

应用基于嵌入式迭代浸入边界法对雷诺数Re=100下串列三圆柱涡激振动进行了数值模拟,其中上游圆柱固定不动,中游和下游圆柱仅作横向振动。三圆柱间距相同,间距比L~*= 1.2、2.0和5.0,折合流速U_r=3.0-25.0,质量比m~*=2.0。研究发现,各间距比下,串列三圆柱存在强烈的相互作用,中游和下游圆柱的振幅明显大于单圆柱涡激振动的情况。随着L~*的增大,圆柱振幅整体上减小,除个别工况外,下游圆柱的振幅均大于中游圆柱的情况。当间距比较小(L~*=1.2、2.0)时,St数随折合流速的增加而缓慢减小;当间距比较大(L~*=5.0)时,St数几乎不再随折合流速变化,固定在St=0.15上。对尾流的研究发现,当振幅较小时,上游圆柱的剪切层将三圆柱包裹在一起,尾流与绕流时相似,表现为经典的卡门涡街;当振幅较大时,上游圆柱的旋涡/剪切层撞击/重附着于下游圆柱上,圆柱之间存在强烈的相互作用,尾流表现为并排的两列旋涡。     

闸墩绕流影响因素及其作用规律分析

为探究某水利工程渡槽附近不平稳水面的形成原因并为制定消除措施提供参考,使用COMSOL Multiphysics软件对高雷诺数( Re =5×106)条件下,不同宽度的顺直流道、收缩渐变段和弯曲流道下游的圆柱绕流和不同形态的闸墩绕流进行了数值模拟研究,分析了流道布局和闸墩形状尺寸等因素对绕流流场和结构受力特性的影响。圆柱绕流分析结果表明:在计算参数范围内,随着顺直流道宽度的减小,圆柱的升阻力系数均逐渐增大;流道渐变段的截面收缩对圆柱绕流产生的影响不大;流道弯曲导致的来流偏流系数越大,圆柱受力的非对称性越明显,升阻力系数均值越大。闸墩绕流计算结果表明:无墩尾闸墩的绕流流场和受力特性与圆柱绕流类似,随着墩身长度增加,闸墩的平均阻力系数减小;带墩尾的闸墩呈流线型,其升阻力系数与尺寸相当的圆柱和无墩尾闸墩相比均显著减小;给闸墩设置合适的墩尾是解决闸墩绕流脱涡的有效措施。