基于Flow-3D的圆柱形桥墩局部冲刷大涡模拟

为预测圆柱形桥墩周围的局部冲刷坑形态和最大冲坑深度,基于Flow-3D软件的水动力学模块和泥沙输运模块对桥墩附近局部冲刷进行了三维数值模拟。以Melville冲刷试验为原型,采用LES大涡模拟方法,模拟了桥墩附近湍流流场。以床面瞬时切应力作为泥沙起动、输移条件,采用Van Rijn输沙率公式计算床面冲淤。采用FAVOR技术追踪河床形态变化,得到了桥墩附近局部冲刷形态。经实测资料验证,计算结果与模型实测的冲坑形态及最大冲坑深度基本吻合。     

桥墩局部冲刷动态模拟及不同截面的冲刷特性

为了获得桥墩局部冲刷随时间的演变过程,探讨不同截面桥墩的冲刷特性,采用计算流体动力学软件FLUENT的自定义函数功能和动网格更新技术,考虑湍流涡增强效应的床面剪应力和坡度影响的临界剪应力,得到床面的输沙率,通过输沙率与床面高程的变化关系实现床面地形随时间的动态变化,并利用泥沙坍塌的调整来克服床面坡度超过泥沙休止角造成的模拟失真及数值不稳定。结果表明:局部冲刷最大深度、冲坑形态及流场结构的模拟结果与试验结果较为吻合;在最大墩宽一致的情况下,流线形桥墩的冲坑深度比圆柱形桥墩降低约45%,比尖角形桥墩降低约40%,冲坑范围也有所下降。     

北江下游推移质输沙研究

采用数值模拟与实测资料相结合的方法研究了北江下游推移质输沙率公式的适用性、洪枯季推移质输沙率及空间分布。结果表明以切应力为主要参量的推移质输沙率公式较适用于北江下游河道,洪季Bijker公式、枯季Van Rijn公式计算误差较小。石角断面洪季推移质输沙率为9.06万t/月,枯季为2.43万t/月,年推移质输沙量为49.54万t。推移质输沙主要集中在大塘以上河段,洪枯季均在山塘上游、廻岐洲、界牌洲等处出现输沙率峰值,大塘下游推移质输沙较弱。水面比降是推移质输沙率沿程变化的主导因素。     

桥墩局部冲刷发展过程的三维动网格模拟

基于FLUENT软件的动网格更新技术和用户自定义函数功能实现了桥墩局部冲刷过程的三维动态模拟。以Melville经典冲刷试验为原型,建立数值模型。将河床面设置为主要的动边界,当床面结点瞬时剪应力大于临界剪应力时,结点位置下移,表现为冲刷,引入Van Rijn提出的沉积输运函数来控制河床面各结点的运动速度。数值模拟结果在流场形态,冲坑发生发展过程及冲坑形态均与试验结果较为吻合,模拟的冲坑深度略小于试验结果,误差约13%。误差产生的主要原因为基于雷诺平均N-S的湍流模型不能有效地反应钝形桥墩前端湍流脉动的影响。     

推移质输沙率公式比较与分析

推移质输沙率是河流动力学中一个十分重要的问题。本文在前人研究推移质输沙率的基础上,总结了6个典型的推移质输沙率计算公式。把单宽输沙率都统一转化成推移质输移浓度的形式,并运用大量的试验水槽资料验证比较。比较结果表明,相对误差最大的是恩格隆公式,高达118.6%;相对误差最低的为梅叶-彼德公式,为39.1%;精度由高到低依次为Meyer-Peter公式,窦国仁公式,Ackers and White公式,Yalin公式,Sharmov公式,Engelund公式。该研究可为工程人员选择公式提供参考。     

丁坝绕流流场及局部冲刷三维数值模拟研究

精确模拟丁坝附近流场信息,预测冲刷形态对丁坝的设计和安全运行具有重要的意义。本文采用一种基于多相流模式的悬移质输沙与传统推移质输沙相结合的模型模拟丁坝局部流场与冲刷过程,而河床变形则通过填充层体积份数的变化来模拟,VOF法处理自由面。泥沙冲刷侵蚀模型主要分为三个模块:悬移质漂流模块、泥沙挟带模块以及推移质输运模块,通过模拟在水流作用下的泥沙运动来预测泥沙侵蚀、对流扩散以及沉积等过程,同时考虑床面坡度对泥沙输运以及临界希尔兹数的影响。模拟得到了丁坝附近局部流场、地形冲淤变化以及冲刷坑形态等,并把计算结果与试验资料进行了对比分析,二者吻合较好,证明该模型能够很好地反映丁坝附近流场信息和床面变形特征。     

丁坝群附近流场及局部冲刷的三维数值模拟

为探索丁坝群附近水流流场,揭示其局部冲刷的形成机理,该文采用Flow-3d软件,选取RNG k-ε湍流模型和以希尔兹(Shields)数为基础的泥沙推移质输沙率模型对上挑丁坝群的周围流场分布和局部冲刷进行了三维数值模拟。研究发现,丁坝群间涡系结构复杂,第一座丁坝坝头处有一对反向的旋涡和下潜水流,切应力达到最大值,使得该位置有较大冲刷坑发生,解释了冲刷机理。冲刷坑的模拟深度和范围与实验结果吻合较好,表明该模型可以用于丁坝群及相关河道整治工程的流场和冲刷坑计算。     

河床中值粒径对桥墩冲刷坑演化过程的影响

桥墩的局部冲刷导致河床形态变化和桥墩基础埋深减小是桥梁水毁的主要原因。在大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)的基础上结合水流运动方程和泥沙运动的动理学理论系统地对桥墩基础处的水流冲刷问题进行全时段全方位的三维数值模拟。得到了桥墩基础处的湍流流场流线图及河床形态变化的高程图。重点研究了水流流速和河床颗粒中值粒径对桥墩周边局部冲刷的影响。结果表明:冲刷坑的深度随着初始流速的增大而增加,且冲刷坑形成速度加快;冲刷坑的深度随着河床颗粒中值粒径的减小而增大,但是当颗粒的中值粒径小到一定程度时,由于泥沙颗粒之间的黏聚力增大导致冲刷坑的深度反而减小。     

丁坝坝头冲淤的三维数值模拟

本文对洪水条件丁坝近体的局部冲淤进行了三维数值模拟。开发了与全三维紊流模型连接计算的泥沙模型。泥沙推移质的计算考虑了床面坡度对推移质输沙率和临界启动剪切力的综合影响。模型经丁坝淹没绕流实验的充分验证。结果详尽讨论了局部冲刷随时间的动态变化过程和动平衡下的河床平面形态特征。     

丁坝冲刷的三维紊流模拟研究

丁坝附近的流态和冲刷情况在工程中一直受到人们的重视.本文采用三维RNG紊流模型,结合璧面函数法,利用VOF方法和空度方法处理不规则边界、河床变形及自由水面,采用不平衡推移质输沙模型,同时考虑床面坡度对推移质输沙及临界启动切应力的综合影响,精细模拟了丁坝附近的流场、地形冲淤变化、冲刷坑形态等,并把计算结果与实验资料进行了对比分析,二者吻合较好.模型准确的反映了丁坝局部流态、冲刷的过程和特征.     

非均质河床双排桥墩局部冲刷数值模拟研究

精确模拟山区河流非均匀沙质河床桥墩的局部冲刷对桥梁设计和安全运行具有重要的意义。以黑石渡大桥河床床沙特征为背景,采用Flow3D软件开展非均匀沙质河床上双排圆柱形桥墩冲刷三维数值模拟研究。为考虑河床非均匀泥沙的悬移质运动、泥沙挟带、推移质输运等过程,在数值模拟过程中,根据非均匀沙质河床的颗粒分布曲线,对所筛取的各个级配范围内的颗粒采用其对应的中值粒径来表征。模拟得到了双柱排桥墩局部流场结构、河床的冲淤变化和上下游桥墩周围冲刷坑形态。研究表明:受桥墩阻水作用影响,墩前壅水、墩后跌水现象明显。墩周冲刷坑基本贯通整个墩周区域,受上游墩保护作用影响,下游墩冲刷坑的发育深度和规模小于上游墩。将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析,二者吻合较好。研究成果可为深入开展非均匀沙质河床桥墩局部冲刷研究提供参考。     

飞云江特大桥桥墩局部冲刷试验研究

飞云江特大桥位于飞云江口门水域,桥墩结构及水动力条件复杂,通过建立大比尺正态物理模型进行桥墩局部冲刷试验,对设计洪水、设计潮水条件下桥墩的最大局部冲刷深度及冲刷坑形态、范围进行预测,并通过公式估算、实测分析、试验类比的方法对试验结果进行合理性分析。为工程设计及运行安全提供技术支撑。     

斜交桥墩局部冲刷坑形态试验研究

为研究斜交桥墩在多沙河流上的局部冲刷问题,利用1∶100正态模型水槽对不同斜交角度长方体圆墩进行了系列试验,对桥墩在不同水流强度、斜交角度条件下的冲刷坑形态进行了系统观测和分析。结果表明:斜交桥墩冲刷坑的几何特性与正交桥墩存在较大区别,当单宽流量为10 m3/(s·m)、斜交角度为15°以上时,桥墩会出现共轭冲刷坑;当桥墩斜交时,背水侧会出现顺时针旋涡水流下降区,迎水侧墩尾处受水流顶冲出现局部冲刷坑;桥墩局部冲坑深度、体积、范围等要素均随水流强度及斜交角度的增大而增大,墩尾冲刷坑深度约为墩前的0.7倍,桥墩冲刷坑面积与桥墩投影面积比的最大值为32.4;水流强度较小时规范公式计算值与试验值较吻合,水流强度较大时规范公式计算冲深小于试验值,二者比值为0.66～0.92。     

怒江中游河段推移质输沙率计算公式的试验研究

采用五类推移质输沙率公式中各具代表性的公式对怒江中游河段推移质输沙率进行计算,同时,通过推移质泥沙输移水槽模拟试验,对怒江中游河段的不同流量级的推移质输沙率进行了分析研究,并与上述推移质输沙率公式计算结果对比分析,得出了适合怒江中游河段的推移质输沙率公式,为该河段推移质输沙率计算提供了可行的计算方法.     

床面上短圆柱体局部冲刷三维数值模拟

床面上短柱体局部冲刷的机理复杂,运用三维有限体积法,对其局部冲刷情况进行了模拟.采用k-ε紊流数值模型,计算柱体周围的紊动流场,利用经验公式计算该时刻的推移质输沙率,运用动网格技术,处理床面地形随时间的变化.推移质计算充分考虑了床面坡度和流向对推移质输沙率和临界起动剪切力的综合影响.改进沙滑模型,修正当生成的剖面坡度超过泥沙休止角时造成模拟的失真,同时克服数值计算的不稳定性.计算结果和水槽试验资料对比分析,二者符合较好.该模型可以用于海底结构物如桥墩、管道、丁坝等的局部冲刷的数值模拟计算.     

非均匀推移质溯源冲刷规律研究

本文研究了溯源冲刷条件下床沙不均匀性对其冲刷强度的影响问题.水槽试验结果表明,非均匀床沙的冲刷强度随着其不均匀系数的加大而增加,并据此提出了绕流掀沙强度的概念,建立了考虑床沙级配影响的推移质输沙率计算公式和渠首排沙闸累积排沙量计算公式.理论公式与水槽试验结果吻合良好,与渠首实测资料基本相符.     

挟沙水流床面冲刷深度试验研究

在清水冲刷粗化层极限冲刷深度研究的基础上,结合室内概化水槽试验,探讨了挟沙水流床面冲刷问题。不同来沙条件下床面冲刷深度水槽试验观测成果表明,随着上游单宽加沙率的增加,挟沙水流床面冲刷深度减小,挟沙水流相对冲刷深度与相对来沙条件呈线性变化趋势。参考爱因斯坦推移质输沙率公式,建立了一个能够综合反映来水来沙条件以及床面条件的床面冲刷深度计算公式。该公式计算值与试验实测值吻合良好。     

潮流作用下桥墩局部冲刷研究

为明确潮流与恒定流条件下桥墩局部冲刷深度的关系,通过长时间序列潮流作用下桥墩的局部冲刷试验,观测不同特征参数的潮流条件下桥墩局部冲刷最深点的发展趋势,分析往复流造成的冲刷坑内泥沙反复冲淤对冲刷坑发展过程的影响,涨落潮最大流速和历时决定了冲坑的发展的速率和达到最大冲深的可能性,在潮流速度值较大或历时占优的情况下,将取得与恒定流一致的局部最大冲深。     

冰盖下桥墩局部冲刷深度预测

利用实验室清水条件下桥墩局部冲刷的试验数据,采用支持向量机（suppcrt vector machine,SVM）和BP(back propagation)神经网络的方法,基于量纲分析原理,对影响桥墩局部冲刷产生的相关因子进行分析。将试验数据的3/4作为预测模型的训练数据集、1/4作为预测模型的测试数据集。模型的输入因子有水流弗劳德数Fr、水深与墩径之比h/D、床沙中值粒径与墩径之比d50/D、冰盖下表面糙率与床面糙率之比ni/nb,输出因子为冲刷坑深度ds。采用相关系数（r）、均方根误差（δRMSE）、平均绝对百分比误差（δMAPE）、确定系数（R2）作为预测结果的评价指标,并将预测结果与试验结果做了比较。BP神经网络模型和SVM模型在预测明流条件下桥墩局部冲刷坑深度时,预测结果的r分别为0.89和0.88、MAPE分别为38.8%和31%;在预测冰盖条件下冲刷坑深度时,预测结果的r分别为0.78和0.73、MAPE分别为43%和46%。结果表明BP神经网络和SVM模型预测明流及冰盖条件下桥墩局部冲刷坑深度时具有较高的精度。     

山区河流河床形态对推移质输沙率影响的试验研究

为探索山区卵砾石河流推移质运动受水流条件和河床形态的影响规律,开展了大比降浅水流动条件下卵砾石输移的室内水槽试验,获得了两组泥沙组成的19个流量条件下的水流、泥沙及河床三维地形场数据。结合室内水槽试验及文献中的天然河流输沙观测数据,分析了不同水沙输移阶段水流阻力、河床形态与推移质运动之间的关系。试验结果表明:河床阻力系数随着河床形态强度参数增大而增大,形态阻力与河床形态强度参数相关性更强。在泥沙补给充分阶段,推移质输沙率与床面阻力、形态阻力及河床形态强度参数均呈正相关关系;在泥沙补给不充分的水流冲刷阶段,推移质输沙率随河床形态强度参数增大而减小。