桥墩局部冲刷发展过程的三维动网格模拟

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圆柱形桥墩附近三维流场及河床局部冲刷分析

ａｄ６ＴｅＳｌｅｉ等也分别从理论计算和ｕ［ＪａｋＭａｈｌｎＪｒａｄｌ
制定奠定了基础．关键词：桥墩；流场；冲刷；Ｆ方法ＶＯ中图分类号：４２３Ｕ４．文献标识码：Ａ文章编号：２３７Ｘ（０７０ —０８ —００５ —３４２０）５５２５
ＡｎｙｉｆＴｈｅ — ｍｅｓｏａｏＦｉｌｎｏｃｏｒｏａｌｓｓｏｒｅＤｉｎｉｎｌＦｌｗｅｄａｄＬａｌＳｃｕｆ
一
车安全［．
为提高桥梁抗水毁的能力，究桥墩附近三维研
绕流流场及河床的冲刷机理非常必要．我国学者高冬光蒋焕章［Ｊ人在大量的模型实验的基础２、０等
上，用流体力学原理对桥墩附近的流场特征和冲应
Ａｓｒｃ：ｄｍＤｍｏｉｇｉｔｒｃｒｃｇｔｈｏｏｙｖｌｍｅｏｕＶＯｂｔｔＭｏｅ３ｖｎｅｆｅｔａｉｅｎｌｇ —ｏｕｆｉａｎａｎｃｌｆｄ（Ｆ）ｍｅｈｄａｄｓ — ｔｏｎｔｎａ
ｄｒ－ｍｏｅｗｉｒｔｒｔｄｉＦＵＥａｄｋｅｄｌｈｃａｅｉｅａｅＬＮＴ，ｅｏｔｓｄｉｅｐｅｅｔｔｄｕｒａｌｈｎｇｎｒｊｎｙａｉｌｕｅｔｒｓｎｕｙｔｎｍｅｉｌｎｈｓｏｃｙ
ｓｒｓｌｂａｎｄｆｏｈｕｒｃｌｉｕａｉｎ，ｃｎｅｕｎｌａｉｇａｆｕｄｔｎｆｒｔｅａａｙｉｔｅｓｉａｓｏｔｉｅｒｍｔｅｎｍｅｉｍｌｔｓｏａｓｏｏｓｑｅｔｙｌｙｎｏｎａｉｏｈｌｓｓｏｎｏｖｒｅｃｕｄｅｔｂｉｈｎｆｒｔｎｌｒｖｎｉｅｍｅｓｒ．ｆｒｅｂＳｏｒａａｌｍｅｔｏａｉａｅｅｔａｕｅｉｄｎｓｓｏｐｖｓ

桥墩附近水流结构的三维数值模拟

桥墩附近水流结构的三维数值模拟张小峰;白洋;王彩虹【期刊名称】《中国科技论文》【年(卷),期】2012(007)005【摘要】Features of flows near bridge pier are simulated by means of standard κ-ε model, RNG κ-ε model and realizable k-e model. The simulation result is analysed in terms of variation of water surface, average velocity and shape of tail vortex. A comparison of the simulation results of the three models with actual measurement results indicates that the RNG κ-ε model and realizable κ-ε model can well simulate the structure of flows near bridge pier.%运用标准h模型和RNGκ-ε模型、可实现五啦模型对桥墩附近的水流情况进行了数值模拟。

从自由水面的变化、平均流速等方面对模拟的结果进行了总结分析，并将3种模型的模拟结果与实测资料进行比较，结果表明RNGκ-ε模型及可实现κ-ε模型较好地模拟了桥墩附近的水流结构。

【总页数】8页(P364-371)【作者】张小峰;白洋;王彩虹【作者单位】武汉大学水利水电学院,武汉430072;亚利桑那大学土木工程学院,亚利桑那州图森市85721;武汉大学水利水电学院,武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TV13【相关文献】1.弯曲度对弯道水流结构影响的三维数值模拟研究 [J], 于洋;艾丛芳;金生2.圆柱形桥墩附近三维流场分析研究 [J], 王庆珍;李田生;官盛飞3.桥墩附近水流结构的三维数值模拟 [J], 张小峰;白洋;王彩虹4.湿地刚性植物对水流结构影响的三维数值模拟 [J], 罗晶;杨具瑞;谭毅源;田振华5.桥墩局部冲刷三维地形及水流结构特性试验研究 [J], 陈铭;彭国平;王浩;徐栋泽;李坚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

桥墩局部冲刷发展过程的三维动网格模拟

ｍｅｎｔｕｓｉｎｇａｄｙｎａｍｉｃ－ｍｅｓｈｕｐｄａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｊ］．Ｓｏｕｔｈ－ｔｏ — ＮｏｒｔｈＷａｔｅｒＴｒａｎｓｆｅｒｓａｎｄＷａｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ＆
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。
关键词：局部冲刷；动网格更新；数值模拟；桥墩；Ｍｅｌｖｉｌｌｅ冲刷试验
中图分类号：Ｕ４４２文献标识码：Ａ文章编号：１６７２ — １６８３（２０１７）０２ — ０１３２ — ０６
２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００３１，Ｃｈｉｎａ）
摘要：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ＶａｎＲｉｊｎ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

土体冲刷对桥梁桩基影响的三维差分模拟计算分析

２的剪力．０ｔ冲刷为沿水流方向的阶梯状，这里还考虑了在戎际通航的过程中出现的船撞荷载，为沿取
界面特性
ｋｎ一１０ＭＰａ０
ｋ一１０ＭＰａｓ０
界面摩擦角
界面粘聚力
ｆｉ＝２。ｒｃ０
×１．共划分为２５５６ｍ，９９２个土体单元，１个桩９２６体单元。桩体采用均质各向同性的连续介质模型
ｅｓｉ，体采用弹塑性的ＭｏｒＣｕｏｌｔ土ａｃｈ— ｏｌｍｂ模型。建模时，先在土体中做好差分网格及接触面，后安然
行初始应力状态计算，可以按照实测的初始应力也
３计算结果分析
为了在实际工程的分析计算中能够应用这种方法，对该模型采用三维有限差分的计算方法加以分
析验证，桩体位移、体、体应力和接触面状态从土桩四部分来定量分析。首先，比较冲刷前后桩体位移情况，括竖向和包
图２接触面单元分布图（身、底）桩桩
Ｆｇ２Ｃｏｔｃｌｍｅｔｄｓｒｂｔｎｍａｐｌｔｅｐｌｅｄｉ．ｎａｔｅｅｎｉｔｉｕｉｐ（ｉｈｉｎ）ｏｅ。ｅ
装桩体，同时接触界面发挥作用。材料设为土体进
图１冲刷模型差分网格划分图
ＦｉＤｉｆｒｎｉｌｅｏｓｏｎｍｏｌｍｅｈｍａｇ．１ｆｅｅｔａｒｉｄｅｓｐ

桥墩局部冲刷研究

件下，靠近自由水面处的向下水流几乎没有本质桥墩局部冲刷一直是冲积性河流中桥墩失的差别。但在床面附近，由于冲刷坑的出现与否，
１概述
稳和桥梁水毁的主要原因。多年来的研究和实践证明，桥墩局部冲刷具有突发性、灾难性，可导致桥墩的移位、沉陷，桥面的断裂、变形，甚至整座桥梁突然坍塌。一直以来，很多学者都致力于桥墩局部冲刷机理的研究，取得了显著的成果” 。因此，结合已有成果对桥墩周围的水流结构、冲刷的发展过程、以及冲刷坑深度的影响因素的研究现状进行了详尽的介绍，并对未来的研究方向进行了
工１Ｉ程科技
科
桥墩局部冲刷研究
房世龙杨国巍
（、１南通航运职业技术学院交通工程系，江苏南通６１２哈尔滨市水务科学研究院，２００、黑龙江哈尔滨１００）５０１
摘要：桥墩冲刷一直是冲积性河流中桥墩失稳和桥梁水毁的主要原因。结合已有的研究成果对桥墩周围的水流结构、部冲刷的发展过程、局以及冲刷坑深度的影响因素的研究现状进行了详尽的介绍，对未来的研究方向进行了展望。并关键词：墩；部冲刷；流结构桥局水
图１圆柱形桥墩附近的水流结构
展过程并准确地估计冲刷坑的深度，有必要对桥墩周围的水流结构进行研究并量化它们对桥墩周围床面的影响。许多研究者通过大量的室内实验对桥墩周围引起冲刷的高强度的紊流场和旋涡体系进行了深入的研究。研究结果表明，水流的ｊ维边三界层分离和多重旋涡体系使

珠江黄埔大桥桥墩冲刷局部动床模型试验研究

i 变分析
3.1 试验河段的河势试验河段为珠江三角洲广州片网河汇入狮子洋的过渡段。广州片网河在此段汇合后，形成复杂的江心洲分汊河道，这些江心洲经过历史的演变和人为活动的影响，自然和人为并洲、筑堤，现已形成洪圣沙——踮艚洲江心岛和大濠洲岛，一般大洪水都已不过水。桥址上游的洪圣沙——踮艚洲江心岛把黄埔水道与铁桩水道分隔开来（见附图 2），并由大濠沙水道和西侧的洪圣沙南水道相互沟通；桥址处的大濠洲岛又把河道分为南北两汊，南汊为大濠沙水道，北汊为菠萝庙水道，在下游的墩头基附近汇合为单一水道——赤沙水道。 3.2 试验河段近年河床演变分析对试验河段河床进行了历史演变和 1977 年至 1999 年、1999 年至 2003 年的近期演变分析表明；桥区河道相对稳定，自 1977 年以来，桥区水道的河床演变受控于自然的缓慢淤积与人为活动的影响。其演变特征表现为：河道平面形态稳定，深槽与边滩分布基本稳定；深槽扩宽变深，主要是航道整治、等级提高和航道疏浚维护的结果，与此同时，也改变水流动力分布和影响相邻水域冲淤变化；南侧凸岸边滩淤涨抬高，但边滩的淤涨又受到深槽扩宽变深的抑制。各时段的河床演变有所差别：1977 年至 1989 年 10 多年间，滩槽形态基本保持稳定微变的趋势，其变化主要表现为深槽有所扩宽刷深，边滩有所淤涨抬高；而到了 1999 年，深槽刷深幅度明显增大，边滩淤高的幅度明显；2003 年和 1999 年相比，除局部人为影响外，边滩基本上变化不大。值得注意的是桥墩所处边滩近年的淤积趋势为：北汊桥南塔墩所处的边滩（即左汊右侧边滩）呈缓慢淤积趋势，南汊桥北塔墩所处边滩（即右汊左边滩）略有冲刷，应充分注意该桥墩的防护，南汊桥南塔墩所处边滩（即右汊右边滩）呈缓慢淤积趋势。主槽则表现为自然淤积和人为航道维护疏深并存。 3.3 建桥后对河床演变的影响分析定床河工模型试验研究表明：推荐的方案建桥前后桥区河段的流态、流速基本上没有变化，流态、流速的变化仅限于桥墩周围局部，从而影响桥墩的冲刷坑的大小及深度。而河床演变分析表明，桥区的河床形态、深槽与边滩稳定，因此，黄埔大桥的修建不会对河势及整体的河床演变产生影响。鉴于此，动床试验主要进行桥墩冲刷的正态局部模型试验。

桥墩附近水流结构的三维数值模拟

维数值模拟计算【３Ｊｏ
１桥墩附近水流三维数值模拟
１流体运动基本方程．１１续性方程）连
的水流结构比较复杂，在桥墩迎水面向下水流和两侧
绕流在床面形成马蹄形漩涡，桥墩周围的边界层分离
形成尾流漩涡，后和墩两侧自床面附近释放形成小墩漩涡。另外，引起桥墩局部水流变化的因素很多，
ＺｈｎａｆｎＢａｎＷａｇＣａｈｏｇａｇＸｉｏｅｇ，ｉＹａｇ，ｎｉｎ
ｒ．ｏｌｅｆＷｔｅｏｒｅｎＨｄｏｌｃｉＥｇｎｅｉ，ｕａｎｖｒｉ，ｕａ３０２Ｃｉａ１ＣｌｇａｅＲｓｕｃｓｄｙｒｅｔｃｎｉｅｒｇＷｈｎＵｉｓｙＷｈｎ４０７，ｈ；ｅｏｒａｅｒｎｅｔｎ２ＳｈｏＣｖｎｉｅｒｇＵｉｒｉＡｉｎ，ｕｓｎＡｉｎ５２，Ｓ）．ｃｏｌｉｌｇｎｅｉ，ｎｖｓｔｏｒｏａＴｃｏ，ｒｏａ８７ＵＡｆｏｉＥｎｅｙｆｚｚ１
摘要：运用标准模型和ＲＧｓｈＮ缸模型、可实￣：模型对桥墩附近的水流情况进行了数值模拟。自由３－Ｅ从水面的变化、平均流速等方面对模拟的结果进行了总结分析，并将３种模型的模拟结果与实测资料进行比较，结果表￣Ｐ，缸ｓＮＧ模
型及可实现＾￡－模型较好地模拟了桥墩附近的水流结构。
天然河道中修建桥梁后，由于桥墩对水流的压缩和干扰，在桥位附近引起了一系列的变化。由于桥墩的局部阻水作用，桥墩上游水流流速减缓，水面壅高，桥墩壅水高度以及其对上下游的影响范围涉及到两岸堤防、附近城市和厂矿企业的防洪安全…。桥墩处

典型桥墩局部冲刷及防护特性数值模拟研究

２０１８年４月水利水电快报ＥＷＲＨＩ第３９卷第４期
文章编号：１００６－００８１（２０１８）０４－００４５－０３
典型桥墩局部冲刷及防护特性数值模拟研究
张胡１闫杰超２，３陈凯华２，３
对于单向流作用下的桥墩局部冲刷问题，国内外研究者通过一个多世纪的研究，已经取得了相对比较成熟的研究成果［２－４］。但随着沿海经济的快速发展，大型跨海桥梁的建设越来越多，跨海湾（河口）桥梁基础所处的海域往往具有水深、浪高、双向非恒定潮流等水动力条件复杂的特点，使现有单向流冲刷研究成果难以适用于跨海桥梁基础的冲刷问题［５］。目前，对于跨海桥梁基础的冲刷研究还处于初级阶段，国内已建的、在建的跨海大桥桥梁基础的冲刷大都通过专门的水槽模型试验专题测定，［６－７］就物理模型而言，除了投资大、存在比尺效应外，还存在周期长、可移植性差等缺点，难以完全适应多因素、大范围、多方案的工程规划问题。因此，应用数学模型研究这类问题，无疑是今后的发展方向。本文通过ＦＬＯＷ－３Ｄ建立波流共同作用下的三维桥
·４５·
２０１８年４月水利水电快报ＥＷＲＨＩ第３９卷第４期
图１模型的平面图和网格划分示意
水深０．４６７ｍ，选取３种不同来流流速，分别为４．２３，
７ｃｍ／ｓ和１０．０６ｃｍ／ｓ。选择２种不同墩柱直径，分别
关键词：桥墩；水动力；冲刷；数值模拟中图法分类号：Ｕ４４３．２２文献标志码：ＡＤＯＩ：１０．１５９７４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｓｄｋｂ．２０１８．０４．０１３
涉水桥梁桥墩的阻水作用，必然导致水流（海流）与泥沙相互作用发生变化。桥墩局部冲刷的发生，也促使河（海）床作出相应调整，不仅影响到桥梁所在河段的演变趋势，而且还可能威胁到桥梁建筑物本身的安全与稳定。对桥墩局部冲刷深度的可靠预测以及采取适当的冲刷防护措施是保证桥梁安全运行的基础，因此必须对桥墩局部冲刷及防护引起足够重视［１］。

结构形式对桥墩局部冲刷三维性态发展的影响

Ｅｆｆｅｃｔｏｆｐｉｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｎｌｏｃａｌｓｃｏｕｒ３Ｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ
ＸｉｏｎｇＷｅｎＷａｎｇＪｉｈａｏＹｅＪｉｎｓａｈｕ
采用经典Ｂ．Ｗ．Ｍｅｌｖｉｌｌｅ实验环境以及实验数据，分别从流场、流速以及冲刷坑进行冲刷模型的准确性验证．进而利用该数值模型分别对３种典型桥墩（单柱墩、双柱墩、排墩）周边河床的冲刷深度、冲刷坑形态以及冲刷影响区域进行数值分析，通过数据分析得出各自完全不同的冲刷发展
ｍｅｒｉｃｌａｍｏｄｅｌｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｈｅｔｌｏｃａｌｂｉｄｇｒｅｓｃｏｕｒｂａｓｅｄｏｎｈｅｔｄｙｎａｍｉｃｍｅｓｈｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｗｈｉｃｈｓｏｌｖｅｓｈｅｔｌｉｍｉｔａｉｏｔｎａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｉｓｓｕｅｓｏｆｔｈｅｅｘｉｓｉｎｔｇ１Ｄｎｄａ２Ｄｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｅｓ．Ｕｓｉｎｇｈｉｔｓｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｌｏｃｌａｓｃｏｕｒ３ＤＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｈｅｔｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｌｏｗｆｉｅｆｌｄＣｎａｂｅｒａｔｃｅｄｉｎｒｅｌａｔｉｍｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｃｃｒａｕｃｙｉｓｐｒｏｖｅｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｈｅｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｔｏｈｅｔｍｅａｓｕｉｎｒｇｄａ — ｔａｉｎｈｅｔｃｌａｓｓｉｃＢ．Ｗ．Ｍｅｌｖｉｌｌｅｅｘｐｅｉｍｅｒｎｔｆｒｏｍｈｅｔｖｉｅｗｐｏｉｎｔｓｏｆｌｏｆｗｉｅｆｌｄ，ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ａｎｄｓｃｏｕｒｈｏｌｅ．Ａｆｔｅｒｈａｔｔｈｅｔｓｃｏｕｒｄｅｐｔｈ，ｓｃｏｕｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐａｔｔｅｒｎ，ａｎｄｓｃｏｕｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅａｒｅａｒｅａｎｕｍｅｒｉｃｌ－ａ

水流作用下圆柱局部冲刷三维数值模拟

流绕流流态及局部冲刷情况做了许多研究，但对大尺度墩柱的研究仍不完善。利用ＦＬＯＷ３Ｄ三维模
拟软件中大涡模拟紊流模型模块以及泥沙冲刷模块，对不同尺度的圆柱周边的局部冲刷进行系统模拟
研究。计算结果表明，在不同圆柱直径下，圆柱的迎水侧、背水侧以及对称侧的平衡冲刷深度始终保持
着特定的比例关系。同时，圆柱周围的最大冲刷深度随圆柱直径的增大而增大，但其与圆柱直径的比
墩柱绕流现象所带来的墩柱周边冲刷问题是实际工程所不容忽视的一大问题，国内外有许多研究成果，采用数值模拟方法的研究工作起源于墩柱周围的流场模拟。１９９２年，Ｋｏｂａｙａｓｈｉ［１］通过将二维离散涡模型进行扩展，提出了三维涡段模型，尝试了在振荡流的情形下模拟圆柱周围的三维流场分布，模拟出了尾涡的不稳定特征，并和实测的流速场分布吻合较好。１９９３年，Ｏｌｓｅｎ和Ｍｅｌａａｅｎ［２］首次将数值模拟运用于计算三维圆柱周围局部冲刷问题，他们通过引入泥沙输运方程，模拟了清水冲刷条件下圆柱周围无粘性沙局部冲刷过程的初期发展阶段，计算结果与实验冲刷型态能够较好地吻合。１９９８年，Ｏｌｓｅｎ和Ｋｊｅｌｌｅｓｖｉｇ［３］在１９９３年模型的基础上进一步开展研究，模拟的冲刷过程不再仅局限于冲刷的初始阶段，而是扩展到了冲刷的全过程，最终计算所得的清水条件下圆柱周围的冲刷深度与经验公式计算结果吻合良好。２００３年，Ｃａｔａｌａｎｏ和Ｗａｎｇ［４］在高雷诺数的条件下运用大涡模拟研究了墩柱周围的绕流问题，通过与ＲＡＮＳ紊流模型所得计算结果进行比对后发现，大涡模拟所得的计算结果能够更好地反应高雷诺数情况下拖曳系数减小和边界层分离推后的现象，但是由于大涡模拟对计算资源的要求较高，并未得到广泛运用。２００５年，Ｒｏｕｌｕｎｄ和Ｓｕｍｅｒ［５］基于ＳＳＴｋω紊流模型模拟了圆柱周围的三维冲刷问题，较好地模拟出了床面沙纹的产生以及冲刷坑的形成过程，模拟结果中的平衡冲刷深度与实验值吻合良好。

桥台局部冲刷形态的CFD动态仿真_祝志文

基金项目：国家自然科学基金（ 51278191 ）和湖南省高校创新平台开放基金（ 13K016 ）作者简介：祝志文，博士，教授 0421 收稿日期： 2011［1 ］
，分析了桥台
周围的水流速度场和河床表面的切应力，并对冲刷发生的机理和防护措施展开了研究，也比较了桥墩和桥台冲刷的相似和差异。对桥台冲刷研究国内相关报道非常少，高冬光和田伟平
DOI:10.15951/j.tmgcxb.2014.03.005
第 47 卷第 3 期 2 0 1 4 年3 月
土
木
工
程
学
报
CHINA CIVIL ENGINEEＲING JOUＲNAL
Vol． 47 Mar．
No． 3 2014
桥台局部冲刷形态的 CFD 动态仿真
祝志文喻鹏刘震卿
（湖南大学，湖南长沙 410082 ）
［2 ］
。近年来，国内媒体多次报道
引
言
公路桥梁在洪水中遭到破坏，其中相当一部分可能是由于桥梁墩台受到冲刷破坏而导致桥梁结构整体失效，比如 2013 年 7 月 9 日四川江油市绵江公路通口河老青莲大桥发生垮塌，导致多车落水和多人死亡。文 3］献［介绍了近年秦巴山区高速公路桥梁墩台冲刷导致桥梁破坏的事故。多年来国外学者在桥台冲刷研究上开展了大量的试验和现场观测
。
国内外研究虽然也提出了不少最大冲刷坑深度的计算公式，但桥梁墩台冲刷破坏的事件仍有发生。其中主要原因是局部冲刷问题研究的复杂性。设置于水中的墩台对水流有强烈的扰动，将在河床和墩台表面上形成复杂的三维湍流流动，导致边界层流动产生分离、层流向湍流转变、漩涡脱落和再附，形成复杂的涡系运动和河床切应力。另外还包括河床泥沙构成、力学性质和运动准确描述的复杂性，如泥沙启动、运输和沉淀等，特别是，还存在天然河道水流和河床条件的特殊性，以及实验室研究相似关系满足的困难性，如流动雷诺数。 9］文献［采用 CFD 方法和泥沙运动理论，数值模拟了圆柱形桥墩周围的动态绕流场和冲刷发展，得到了与试验比较一致的最大冲刷坑形态，证明了采用数值方法预测桥墩冲刷的可行性。然而需要指出，虽然桥墩和桥台的冲刷机理相同，但桥台的水力学环境明。显不同于桥墩一个主要的不同，是桥台布设于河岸侧，水流在河岸侧面将形成复杂的流动边界层，垂直于河岸面，水流速率呈现靠近河岸小，远离河岸大的分布。该边界层还将与桥台表面流动边界层、河床流动边界层形成相互作用，桥台和河堤“T ” 形连接对水流的强烈阻挡，以及尾流与河堤的相互作用，可能使得桥台冲刷出现与桥墩明显不同的形态，实际上桥台 9］河水绕流形态比文献［研究的桥墩绕流形态更为复杂，如图 1 所示。另外，桥墩与桥台冲刷形态差别，如最大冲刷深度、冲刷坑形状和分布等，可能会随着桥台水力学外形、伸入河道长度的变化而不同。

利用非结构化网格三维模型探讨桥墩周围流动现象

ｃｌｕａｉｎｃｎｅｄ，ｔｅｆｗｐｔｒｓａｏｎｏｈｔｅｐｅｒｎｌｚｄａｃｌｔｏｃｍｅｏｈｏａｔｎｕｄｂｔｈｉｒａｅａａｙｅ．Ｔｅｒｓｔｓｏｈｔｈｏａｔｒｓａｏｎｉｒｌｅｒｓｈｅｕｈｗｓｔａｅｆｗｐｔｎｒｕｄｐｅｓｌｔｌｅｕｄｒｃｍｐｉａｅｏｄｔｎａｕｅｙｂｅｅｌｄｂｉｍｏｅ．ｎｅｏｌｔｄｃｎｉｏｓｃｎｓｒｌｅｒｖａｅｙｔｓｃｉｈｄ１Ｋｅｒｓ：ｕｓｒｃｕｅｒｙｗｏｄｎｔｔｒｄｇｉｕｄ；ａｇｒｈｏｕｉｅｅｃｐｉｉｇ－ｙｒｄｎｍｉｄｌｌｗｆｌｒｕｄｐｅ；ｍｏｅｌｏｉｍｆｆｘｄｆｒｎｅｓｌｔ；３Ｄｈｄｏｙａｃｍｏｅ；ｆｅｄａｏｎｉｒｔｌｆｔｎｏｉｄｌ
ｔｅｆｖｒｓｃｉｎｏｗａａｉｅｎＪｐｎ，ｔａｏｔｉｓｔｉｒ，ｉｅｔｂｉｈｄｂｓｄｏｉｍｏｅ．Ｔｒｕｈｔｅｓｌａｉｇｈｅ－ｅｔｆｉｏＫａｋｍｉＲｖｒｉａａｈｔｎａｎｗｏｐｅｓｓｓａｌｅａｅｎｔｓｄ１ｈｏｇｉｃｓｈｈｍｕｔｎ
（）７
假设，Ｄ＝Ｑ＝（Ａ）ＡＲＲＱ通过变形得到式（）８
＝
分别是和Ｙ方向的河床坡度；５和５为、Ｙ方向＾

装配式桥墩防冲刷装置三维数值模拟

装配式桥墩防冲刷装置三维数值模拟王炎; 杨蝶俪; 叶楠; 张楠楠【期刊名称】《《低温建筑技术》》【年(卷),期】2019(041)011【总页数】5页(P72-75,84)【关键词】新型; 防冲刷装置; 参数化; 数值模拟【作者】王炎; 杨蝶俪; 叶楠; 张楠楠【作者单位】浙江理工大学建筑工程学院杭州310018; 浙江存真土木工程技术有限公司杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TU9970 引言桥墩作为一种重要的交通枢纽，对保证社会的经济发展、运输交通发展有着极为关键的作用。

近年来，国内外的桥梁发生水毁的事件屡见不鲜，不管是沿海地区的特大型桥梁还是跨江大桥，甚至是边远山区的小桥，都受到了水流冲刷掏空的威胁[1,2]，墩周河床被冲刷，影响基础的稳定，进而影响到桥梁上部结构的稳定性。

针对这个现象，国内外专家都对桥梁基础安全问题引起了重视，对桥墩冲刷的相关问题进行了许多研究[3,4]。

最近十几年，通过数值模拟对冲刷问题进行研究已经飞速发展，数值模拟方法已逐渐成为研究桥墩基础局部冲刷的重要方法。

例如，Saghravani等[5]利用Fluent中的欧拉三维两相流模型模拟了群桩基础线性排列的清水局部冲刷；Huang等[6]利用CFD模型研究了湍流对沉积物冲刷的影响；Kim等[7]对不同布置方式下的圆柱墩的清水冲刷进行了模拟，模拟测得的最大冲刷深度与实测值近似；熊文等[8]基于K-ε湍流模型建立了桥墩冲刷及冲刷环境数值仿真模型，利用Fluent二次开发，研究不同因素对桥墩冲刷的影响；王玉等[9]通过数值分析研究了简支桥桩基础的冲刷深度与其动力特性的关系，对桥梁冲刷深度的无损检测有一定的价值。

结合众多专家的研究可以表明，数值分析可以有效模拟桥墩冲刷问题，是未来研究桥墩局部冲刷的一种主要方法。

文中采用FLOW-3D 三维计算仿真软件对该装置的防护效果进行模拟计算，模拟装置安装后对桥墩局部冲刷的影响，并深入研究装置的参数与冲刷效果的关系，对未来桥墩防冲刷装置的设计以及相关研究提供理论依据，供研究人员和技术人员参考，具有深远的经济效益和技术效益。

冲刷环境对桥墩冲刷空间形态影响的仿真分析

冲刷环境对桥墩冲刷空间形态影响的仿真分析熊文;姚浩;CAIC.S.;叶见曙【摘要】为研究环境对桥墩冲刷的影响,基于K-ε湍流模型建立了桥墩冲刷及冲刷环境数值仿真模型.对其三维仿真建模过程中的4个关键问题分别进行深入研究并提出优选的解决方法,特别关注三维边界条件的动态更新以及计算收敛性的算法改进.进而利用B.W.Melville经典实验对提出的桥墩冲刷精细化仿真方法从空间形态的角度进行多方面准确性验证.最后基于该精细化仿真方法,对CFD计算软件Fluent二次开发,进行精细化参数分析.计算结果表明:桥墩尺寸与最大冲刷深度以及流速与最大冲刷深度均存在近似线性关系,选择合适的桥墩形式、降低桥墩有效宽度、降低墩前水流流速以及选择合适的水流深度均可明显降低桥墩冲刷深度.不同冲刷环境参数取值对桥墩冲刷空间形态所产生的不同影响可以为桥墩主动抗冲刷设计与选型提供合理的理论基础与依据.%To investigate the influence on bridge scour from environments, a K-εturbulence model was applied in the present study to simulate the complicated flow filed and local scour around bridge pier. Four key problems for a fine 3D scour simulation were discussed in details and the corresponding solutions were also given. More attentions were especially paid to the dynamic updating of boundary condition and the optimized iteration convergence of programing algorithm. The accuracy of the proposed simulation was fully verified by comparing to the classic B. W. Melville experiment from the viewpoint of 3D performance during the scour. By re-developing the CFD Fluent program following the proposed solution, a parametric study was conducted by varying several scour environment parameters. The resultsshow that the maximum scour depth has an approximate linear relationship with the pier measurements and average velocity of flow. A good selection of pier shapes, a narrow effective pier width, a slow average velocity of flow, and a proper water depth would all reduce the scour depth of piers. A conclusion can also be drawn regarding the influences of different environment parameters on the 3D scour development, which should be a rational theoretical basis for the active anti-scour design for piers.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2016(048)003【总页数】7页(P108-114)【关键词】桥墩冲刷;仿真建模;几何参数;流场形态参数;参数分析;抗冲刷设计【作者】熊文;姚浩;CAIC.S.;叶见曙【作者单位】东南大学交通学院,210096 南京;东南大学交通学院,210096 南京;路易斯安那州立大学土木与环境工程系,70803 美国路易斯安那州巴吞鲁日;东南大学交通学院,210096 南京【正文语种】中文【中图分类】U442.5基础结构的冲刷病害会直接导致桥梁结构功能失效、丧失其安全性能. 美国交通部已将桥梁基础冲刷看作是高速公路桥梁结构功能及安全性能失效的最常见原因之一[1-3]. 长期以来，桥梁基础冲刷深度预测主要基于日常检查的主观经验判断，准确性不高. 尽管针对个别特大型桥梁进行冲刷模型实验，但模型相似比难以确定，且实验人力物力花费较高. 大多规范所采用的冲刷深度计算公式可快速对桥梁基础冲刷病害进行预判，但是计算假设条件苛刻，参数单一，难以准确模拟冲刷三维整体形态，甚至不同计算公式得出的结果差异性很大.为保证桥墩冲刷分析的精细化、准确性与经济性，计算流体动力学(CFD)数值方法在冲刷分析中得到了越来越多的应用. 近年来国内外学者提出了一些数值模型，郭辉等[4]根据水、沙运动及河床冲淤变形方程，考虑压缩断面上下游出现回流的特点，建立了跨河桥梁基础压缩冲刷的一维数值计算模型. 董天乐等[5]从平面二维非恒定水流运动方程、不平衡泥沙输移方程及河床变形方程出发，建立了钱塘江河口平面二维河床冲刷数值模型. 显然，一维、二维的冲刷模型无法对桥墩冲刷深度以及平面形态发展这一三维事件进行正确跟踪，计算结果也无法得到最深冲刷深度对应的平面位置. 为解决这一问题，三维数值模型随着计算机能力的迅速提升也逐渐发展起来，但随着模型的不断繁杂，需要不断更新边界条件的动态处理以及流体结构计算算法的收敛性又成为难题，并限制了桥墩冲刷三维精细化分析技术的发展. 事实上，冲刷三维精细化分析的难题大大限制了桥墩抗冲刷优化设计的发展. 如今对冲刷的防治主要针对桥墩进行长期监测与发生冲刷之后的桥墩加固设计；或者基于规范计算得到的冲刷深度而调整墩身高度来被动预防冲刷对基础的影响. 而很少或没有通过针对不同冲刷环境的桥墩自身型式的优化设计来最大化主动降低冲刷影响；而事实上，这种方法抗冲刷效率优，经济性能好，是未来抗冲刷桥墩设计的重要发展方向之一. 显然，这种设计方法需要准确的桥墩冲刷三维精细化模型以及基于该模型的冲刷环境参数精细化分析结果来提供理论支撑.本文首先基于K-ε湍流模型建立桥墩冲刷及冲刷环境数值模型，对其三维仿真建模过程中的4个关键问题分别进行深入研究并提出优选的解决方法，特别关注三维边界条件的动态更新以及计算收敛性的改进. 进而利用B. W. Melville经典实验对本文提出的桥墩冲刷仿真方法从三维形态的角度进行多方面准确性验证. 最后基于该仿真方法，对CFD 计算软件Fluent二次开发，以进行一系列参数分析. 根据计算结果，确定不同冲刷环境参数，包括流场中结构物几何参数(桥墩形式以及桥墩尺寸)以及流场形态参数(河床沙粒半径，水流平均流速以及水流深度)，对桥墩冲刷空间形态的影响. 该影响可对桥墩主动抗冲刷选型与设计方法提供理论依据. 仿真建模主要指的是结构本身描述的精细化程度以及与之相对应的计算方法的收敛性. 对此，完成桥墩冲刷三维仿真建模至少需要解决以下4个关键问题.采用有限体积法对水流的三维空间形态进行数值模拟，流场的正确网格划分是关键. 虽然非结构化的四面体网格对于复杂模型有着较强的适应性与变形能力；但是基于以下几点原因，本文认为结构化六面体才是精细化冲刷建模网格划分的首选：1)冲刷模型涉及到动网格的动态更新，更新过程非常复杂，对网格质量的要求比较高，因而采用质量较高的结构化六面体网格更容易收敛；2)结构化六面体网格和非结构化四面体网格相比，同样网格尺寸，单元数量较少，因此计算时间相对缩短；3)结构化六面体网格方向更能迎合流场方向，在边界层处六面体网格比四面体网格离散误差更小些. 4)由于桥墩附近水流处于复杂流动状态，水流流动梯度大，需要对网格进行局部加密. 为了适应动网格的需要，非结构化四面体网格需要采用ICEM CFD中的“密度核”进行加密，其效果和便利性远远不如结构化六面体网格. 因此本文选用结构化六面体网格来完成相应冲刷建模工作.数值计算的结果不仅与网格质量有关，而且与网格划分过程中网格的拓扑结构有关. 事实上，网格拓扑往往会导致伪扩散等数值问题；此外在结构网格中网格格线与水流流动方向存在偏角也一定程度上导致伪扩散出现. 本文提出3种桥墩周围网格局部加密方式作为候选，如图1所示.方法1采用基于桥墩圆柱体位置的O型块直接剖分方式对桥墩圆柱体周围进行局部网格加密，网格畸变情况严重，网格质量最低. 方法2将桥墩圆柱部分独立单次竖向切割，然后进行O型块剖分局部加密，有助于提高网格质量；但是圆柱四周网格线显然与水平方向夹角过大. 方法3将圆柱周围横竖各切割两次，然后进行O 型剖分对桥墩圆柱周边局部加密，从而减少外侧网格倾斜程度及数量，有助于将倾斜网格线的影响降低. 其中，切割线距圆柱中心线的距离可取为2.5D，其中D为桥墩直径.ICEM的determine函数可以用来判断网格质量好坏，即通过数学方法检测所划网格的畸角，最大、最小网格尺寸等指标来对网格质量进行客观评价. 检测结果如图2所示，绿色区域越靠近1表明网格质量越好，可以看出按方法3所划出的网格质量最高，完全符合数值计算的网格要求，并且方法3划分的网格质量远优于其他两种划分方法. 据此，本文推荐方法3对桥墩处网格进行局部加密，加密范围可取以桥墩为中心的2.5D边长的正方形区域，经过计算Y+(垂直壁面的无量纲距离)均满足所使用的湍流模型要求.根据输沙平衡，由推移质输沙率得到河床高程的瞬时变化率求解公式为[6]).对于某一特定面单元，式(1)中面单元中心高程的变化梯度∂h/∂t可以利用下式进行离散化处理，即式中：Δh,Δqbx,Δqby为离散化后的各参数在Δt内的增量；Δx,Δy为两个距离最近单元之间的坐标差值.通过对网格面区域循环遍历所有的面单元，找出与该特定面单元距离最小的面单元，以两者之间的差值代入式(2)近似代表式(1)中各梯度变化项. Δt的取值根据计算精度及效率确定，本文取为0.075 s.当采用CFD计算软件Fluent进行动态网格更新时，其需要通过改变各网格节点的坐标来实现. 因此上述河床面网格中心点的高程变化值需要转化为相应节点坐标的变化值. 本文通过计算节点周围网格面单元中心点高程变化的平均值来得到该相应节点坐标变化值.以图3中的节点A为例，其坐标变化值ΔzA为ΔzA=(δz1A1+δz2A2+δz3A3+δz4A4)/(A1+A2+A3+A4).许多水槽试验表明，由于泥沙运动的复杂性和与水流之间的非线性作用、运动关系，会出现局部区域坡度超过泥沙休止角的情况，此时河床面会自动崩塌来调整坡度，从而逐渐形成冲刷坑. 数值模拟时，若不考虑床面崩塌情况，计算结果显然与实际不符，造成数值模拟的失真；同时该区域网格将严重畸变，计算过程很容易发散. 解决这一问题，本文采用沙滑模型对河床面坍塌进行程序化处理. 首先根据输沙平衡及床面变形方程对床面网格进行动态更新，进而对床面网格进行全面扫描，若发现某单元面倾角大于临界坡度(本文取泥沙休止角)，则对该单元节点进行循环操作来完成位置修正. 以图4为例，一旦发现A、B节点的倾角θ大于临界坡度φ，则将A点纵坐标调整到A′，将B点纵坐标调整到B′，从而使坡度降到φ，以满足床面变形稳定的要求，该变化可表示为(zB-δzB)-(zA+δzA)=同时，根据输沙平衡又可得到式中：∑AA为与节点A相邻的各面单元在xy平面内的投影面积之和；∑AB为与节点B相邻的各面单元在xy平面内的投影面积之和.进而联立式(4)、(5)，即可求得A、B两点的调整高度δzA、δzB.当采用CFD计算软件Fluent进行程序编译时，通过循环宏begin_f_loop(f,tf)对底面所有单元网格面进行循环，并采用循环宏f_node_loop(f,tf,n)对所循环到的面内的所有网格节点进行循环，依次判断面内相邻节点间坡度是否满足要求，并对大于休止角(临界坡度)的节点纵坐标进行调整，即可实现泥沙坍塌的过程模拟. 但是，由于调整一个河床单元面坡度显然会改变其相邻的其他网格面坡度，所以必须通过多次迭代才能使所有河床单元面的倾角均降至休止角或以下. 在实际操作中，逐步调整每个面单元倾角到休止角以下耗时太多；本文对整个河床面循环迭代操作次数限制在100次以内，即可同时满足计算精度与计算时间的要求.为验证上节所提出关键问题及相应解决方法的准确性，基于Melville经典冲刷试验建立相应的数值计算模型. 由于Melville冲刷试验参数明确，试验数据完备，同时利用该试验数据对本文所提出的冲刷数值模型计算精度进行验证. Melville试验水槽长19 m，宽45.6 cm，水深0.15 m，在水槽中放置直径为5.08 cm的圆柱作为桥墩模型，圆柱型桥墩中心距水槽两侧的距离为22.8 cm，床底泥沙平均粒径d50为0.385 cm，水流平均速度为0.25 m/s，泥沙休止角为32°[8].事实上，根据Sarker的研究成果，圆柱下游12倍直径距离以外流动并不受圆柱影响[9]. 故本文建立的数值计算模型所选取的试验范围总长度为20D=101.6 cm，其中D为圆柱桥墩直径，桥墩中心距下游出流面14D，满足大于12D的要求，桥墩中心距上游进口面6D，如图5所示. 河床面采用粗糙壁面边界，两侧以及桥墩采用光滑壁面边界，顶部采用对称边界. 相应数值计算模型见图6. 基于1.2节所提出的加密方法，该模型中桥墩周围一定区域范围内已进行网格加密.图7(a)为模型计算30 min后桥墩周围局部冲刷坑的地形等高线图，图7(b)为Melville试验30 min后局部冲刷坑的地形等高线图. 比较两者可以发现，数值模拟结果除了桥墩迎水面冲刷坑形态发展不够充分外，其他包括桥墩后方沙脊的出现，总体轮廓线的形式均能够与实验得出的冲刷坑地形图较好吻合.事实上，由于本次计算选用了标准k-ε模型，对于流场的变化主要基于一定时间空间内的平均化结果，因此可能会引起计算结果在某些局部区域的偏差，如在主要冲刷坑外同时也出现了独立的小幅度冲刷坑，如图8所示.随冲刷不断发展，流场底部的边界部分(河床面)会相应不断下移，从而引起边界条件的不断变化. 该边界条件的变化反过来又会引起桥墩周围流场的不断变化，两者之间相互耦合. 显然，局部冲刷是一个流体与边界条件不断相互作用的复杂变化过程. 所以，能否准确模拟桥墩周围流场变化对保证桥墩局部冲刷计算精度有着至关重要的关系.图9(a)为冲刷仿真开始时刻距离河床面1 mm的截面的流场流线平面图，图9(b)为Melville试验中的实际量测结果. 通过比较可以发现，两者的流线轨迹符合较好，且仿真计算的尾流与桥墩的分离点位置(偏离水流方向75°左右)与试验结果完全一致.Melville试验结果表明冲刷达到最终平衡需要时间为220 min，此时平衡冲刷最大深度为6 cm；而事实上，试验进行到30 min时冲刷深度为4 cm，已达到最大深度的2/3. 本次研究基于计算机硬件条件限制以及计算时间的考虑，仅模拟前30 min的冲刷状态，并将仿真计算的冲刷深度与试验结果进行比较.图10给出本次仿真计算中冲刷坑最大深度随时间发展的变化趋势. 从图中可以看出在冲刷发展初期，冲刷速度很快，最大冲刷深度随时间的推移急剧增大. 其原因在于，冲刷初期河床面最大切应力比临界起动切应力大得多，导致冲刷发展剧烈. 而后期由于底部边界下切，流场运动空间增大，导致流动逐渐减弱，水流携沙能力降低，最终冲刷变缓. 根据图中曲线斜率可以看出，如果继续计算，该曲线将趋近于某一稳定数值，即平衡冲刷深度，这与Melville试验所描述的现象相符. 另外，仿真计算30 min时得到的最大冲刷深度为4.704 cm，仅仅比试验结果4 cm 稍大而已，显然具有较好的计算精度. 2.4 冲刷坑坡度验证30 min仿真计算后的桥墩前方冲刷坑坡度(图11中直线AB倾角)为31.9°，此值与Melville试验的坡度值32°(同时也是泥沙休止角)非常接近. 事实上，由于本次仿真模型计算并未达到最终冲刷平衡状态，比泥沙休止角偏小也属正常. 另外，仿真计算中的桥墩后方冲刷坑坡度仅为24.9°(图11中直线CD倾角)，这是由于泥沙在桥墩后方存在少量淤积，导致冲刷程度较弱，最终形成的冲刷坑坡度也较小.通过与经典Melville试验的多方面验证可以看出，本文所提出的桥墩冲刷精细化建模方法具有较高的计算精度，计算结果与试验数据在各方面均具有一致性，完全可以利用该数值模型对局部冲刷行为进行准确预测.进一步利用所提出的仿真模型计算方法探讨环境参数对桥墩冲刷空间形态的影响. 选取的主要环境参数可分为流场中结构物几何参数以及流场形态参数. 其中，流场结构物几何参数包括桥墩形式以及桥墩尺寸；流场形态参数包括河床沙粒半径，水流平均流速以及水流深度.桥墩形式对局部冲刷的影响，考虑到实际情况，主要采用应用较多的单柱墩、双柱墩以及排墩这3种形式. 此处仍然基于Melville试验的尺寸与条件，计算数值模型如图12所示(其中单柱墩计算数值模型见图5).经过计算得到30 min后单柱墩的最大冲刷深度为4.704 cm，双柱墩的最大冲刷深度为5.297 cm，排墩的最大冲刷深度为5.101 cm，三者冲刷深度随时间的变化趋势如图13所示.图13可以看出双柱墩和排墩最大冲刷深度随时间发展的变化趋势与单柱墩类似，初期冲刷发展剧烈，后期逐渐变缓，最终达到冲刷平衡状态. 但是有所不同的是，冲刷初期(图13中5 min之前)单柱墩的冲刷深度比其他两者均稍大，但是到了中后期(图13中5 min之后)却明显小于其他两者. 这主要是因为，冲刷初期发展并不充分，单柱墩在平行水流方向的长度较小，导致墩周围平均流速较大，冲刷深度较深；但到中后期冲刷发展已较为充分，墩的阻水效应逐步显现，显然较大尺寸的双柱墩与排墩对水流的扰动更强. 因此，此时平衡冲刷深度反而比单柱墩深.根据单柱墩、排墩以及双柱墩30 min时冲刷坑的空间形态计算结果，可以看出单柱墩冲刷坑最大位置位于桥墩中心线偏后的位置，排墩冲刷坑最大深度位置位于排墩中心线两侧位置，而双柱墩最大冲刷深度位置(两个峰值)分别位于两墩中心线偏后的位置. 双柱墩模型中其后方桥墩位置处的冲刷深度比前方小，主要是因为前方桥墩对水流的阻挡作用降低了水流强度而导致的.所以，通过选择合适的桥墩形式可以达到降低冲刷深度，调整最大冲刷深度所对应平面位置的优化目的.桥墩尺寸大小显然会影响其对水流的阻挡作用，进而影响冲刷程度. 本文仅针对单柱墩模型，分别计算桥墩直径为0.5D、0.8D、1.0D、1.2D、1.5D以及2.0D共6个工况的冲刷过程.通过计算可以发现，冲刷深度h随桥墩尺寸的增大而逐渐变大，每一种工况下冲刷随时间的变化趋势也均相同，进一步验证了本文提出的仿真计算方法的稳定性. 30 min后各工况下最大冲刷深度分别为2.968 cm(0.5D)、4.382 cm(0.8D)、4.704 cm(1.0D)、5.543 cm(1.2D)、6.287 cm(1.5D)以及6.916 cm(2.0D).为更好描述冲刷深度与桥墩尺寸的关系，利用MATLAB软件对计算数据进行公式拟合，其中横坐标为归一化后的桥墩尺寸α(D的倍数)，纵坐标为30 min时的最大冲刷深度h(cm)，得到两者近似关系为可见，随桥墩尺寸的不断增大，桥墩局部冲刷深度将以近似线性的关系逐步增大. 因此，实际工程中降低桥墩有效宽度是一种较为明显的减小桥墩局部冲刷深度的方法.水流流速是影响桥墩局部冲刷的一个重要因素，因为水流流速直接影响到水流动能大小. 一般认为，水流流速越大，桥墩周围局部冲刷程度越剧烈，这也是洪水季节容易发生桥墩周围泥沙掏空，桥墩倾覆的重要原因.本文在保证其他各因素不变的情况下，仅仅改变水流流速，分别计算了0.200、0.225、0.250、0.275、0.300、0.325 m/s共6个工况的冲刷过程，得到30 min 时各工况下最大局部冲刷深度分别为2.383、3.304、4.704、5.123、6.399、6.672 cm. 值得注意的是，在计算过程中发现当水流流速较小时(小于0.15 m/s)，桥墩周围将几乎不产生局部冲刷现象，这是由于当流速小于起冲流速时，水流将不具备足够的动能使泥沙发生运动.利用MATLAB软件进行公式拟合可以定量分析流速v(m/s)对最大冲刷深度h(cm)的影响，得h=35.6v-4.580 5.可见流速与最大冲刷深度之间存在近似的线性关系. 洪水季节，水流流速急剧增大，此时可采取措施降低墩前水流流速来显著降低桥墩局部冲刷程度. 3.3.2 水流深度本文针对0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.15、0.18、0.20、0.22、0.25 m共10组水深分别进行计算，其最大冲刷深度分别为3.518、4.506、4.826、4.971、5.123、4.704、4.790、4.719、4.783、4.686 cm.由以上计算结果可明显看出，当d0/D>2.6(d0为墩前水深，D为桥墩有效宽度或直径)的一组水深时(水深大于0.15 m)，冲刷深度均在4.7 cm左右，近似可认为冲刷深度与墩前水深关系不大. 而对于d0/D<2.6的一组水深(水深小于0.1 m)，由MATLAB软件进行公式拟合得到最大冲刷深度h(cm)与墩前水深d0(m)之间的关系为由此可见，当d0/D<2.6时，局部冲刷深度随墩前水深的增大而逐渐增大，且两者之间满足指数增长关系.根据Melville和Sutherland研究，存在一个水深数值，当大于该数值时，局部冲刷深度基本与水深无关[9]. 这一结论也与本文的仿真计算结果相吻合.所以，在桥墩设计过程中，可以通过选择合适的桥墩位置，采取合理的d0/D数值，来降低桥墩局部冲刷程度.事实上，已有国内外学者关于泥沙粒径对局部冲刷深度的影响进行了一系列试验研究. Laursen曾经用中值粒径d50=0.46～2.2 mm的床沙进行动床实验，结果表明泥沙粒径对冲刷深度无明显影响[10]. Ettem也指出，当泥沙中值粒径满足d50≤D/50(其中D为桥墩直径或有效宽度)时，泥沙粒径大小对局部冲刷深度无影响[11]. 鉴于本文提出模型中，若考虑泥沙粒径对局部冲刷深度的影响，需要控制泥沙的均匀性不变[12]. 此外，改变泥沙粒径后，相应的泥沙水下休止角及容重均将改变，而这些数据在数值计算模型中的相应改变缺少必要的试验依据和理论指导. 因此，依据相关试验，可以认为粒径对局部冲刷深度无影响.1)通过选择合适的桥墩形式，可以达到降低冲刷深度，调整最大冲刷深度所对应平面位置的优化目的.2)桥墩尺寸与最大冲刷深度存在近似线性关系. 实际工程中降低桥墩有效宽度是可以明显减小桥墩局部冲刷深度.3)流速与最大冲刷深度存在近似线性关系. 洪水季节，水流流速急剧增大，需采取措施降低墩前水流流速来降低桥墩局部冲刷程度.4)桥墩设计过程中，可以通过选择合适的桥墩位置，采取合理的d0/D数值，达到降低桥墩局部冲刷程度的设计目的.5)后续将集中研究流固两相流模型在桥墩动床冲刷环境中的应用方法，并建立仿真模型与本文清水冲刷计算结果进行比较.。

单圆柱桥墩冲刷的三维数值模拟_吉鸿敏

［１］
等人在低雷诺数条件下对圆柱绕流进行了
照大涡模拟的结果，发现使用ＲＮＧκ － ε 模型能取得与大涡模拟相符的结果。然而，关于圆柱绕流的三维流场分析仍然有限，理论研究也存在很多不足。本文以物理模型实验为参照基础，利用三维流体分析软件Ｆ３ｌｏｗ－ｄ对单圆柱桥墩绕流及冲刷进行模拟运算，并深入分析单圆柱桥墩的绕流流态、流场分布情况及其与河床冲刷的关系。
３１５
／，同时设置入口边界的入算得入口流速分别为３７、２７、１４ｃｍｓ。流水深为３控制水深１４．６２ｃｍ（４．６２ｃｍ＋床沙厚度２０ｃｍ））出口边界条件选择静水压力边界（可以设定流体高度Ｐｒｅｓｓｕｒｅ同时可以减少计算区域。以控制出流水深不变仍为３４．６２ｃｍ，水面为自由液面，设置网格高度高出流体部分２ｃｍ作为自由液面的发展空间，－３－ＶＯＦｌｏｗｄ软件能够实现真实的ＴｒｕＦ方法追踪流体液面，反映自由液面情况；其余边界均采用刚性壁面）（条件，即没有对流流量也没有扩散流量通过意味着流速ａｌｌＷ和流动变量的梯度为零，边界条件的结果图２所示。
桥梁防护中由于桥墩周围的绕流冲刷极其复杂，迄今对该绕流流态及其与河床冲刷关系的认识仍不完善。摘要：为了深入分析圆柱桥墩周围的三维水流结构及冲刷现象，利用Ｆｌｏｗｄ三维模拟软件对不同流速下的圆柱绕流流态进－３行数值模拟并和模型实验对比另对圆柱桥墩周围的冲刷做了初步的模拟分析。结果表明，Ｆｌｏｗ－ｄ可以清楚地反映桥３墩周围的水流流态并通过了模型实验结果验证。说明Ｆｌｏｗｄ可以准确模拟单圆柱绕流并获得流场的三维瞬时流速和－３冲刷现象，本研究可为河床中桥墩附近的冲刷计算和防护设计提供重要的参考。；单圆柱绕流；数值模拟；三维流场；泥沙冲刷关键词：Ｆｌｏｗｄ－３中图分类号：３５１．２文献标识码：ＯＡ

桥墩局部冲刷机理分析及防护建议_马奎

- -162010年第15期（总第150期）NO.15.2010（CumulativetyNO.150）China Hi-Tech Enterprises摘要：桥墩冲刷是桥墩设计的关键环节，其对桥渡的破坏多突发性和偶然性。

文章通过对桥墩局部冲刷特征及冲刷机理的研究，分析了桥墩特征、流体特征等因素对桥墩局部冲刷的影响，并提出了有效的防冲刷保护措施。

关键词：桥墩设计；局部冲刷；防护措施；流体特征中图分类号：TU392 文献标识码：A 文章编号：1009-2374 （2010）15-0016-02桥墩局部冲刷机理分析及防护建议马奎（重庆交通规划勘察设计院，重庆 400067）桥墩冲刷是桥墩设计的关键环节，由于桥墩冲刷影响因素众多，难以较准确地预估，加之随着水文现象的变化，其对桥渡的破坏多突发性和偶然性。

所以目前桥墩冲刷研究仍具有重要意义。

一、桥墩局部冲刷特征（一）桥墩局部冲刷的概念桥梁建成后，除了河床的自然演变外，还有由于桥墩干扰水流和泥沙的运动而引起的河床冲刷，它们交织在一起同时进行，冲刷过程非常复杂。

为了便于研究和计算，常把桥墩的最大冲刷深度分为独立的三个部分：自然演变引起的冲刷、一般冲刷和局部冲刷，并假定它们相继发生进行。

由于桥墩阻流产生的水流冲击和涡流作用，在桥墩周围分离出三维边界层，从而产生具有高紊动和高流速特性的局部水流，引起旋涡并向下游传播和发展，产生很大的床面切力，在桥墩周围形成的局部河床变形称为桥墩局部冲刷。

（二）桥墩绕流冲刷的特征桥墩周围水流结构主要包括墩前向下水流、墩前水面涌波和尺度很大的漩涡体系。

漩涡体系是一种综合水流结构，其中包括在墩前冲刷坑边缘形成的绕桥墩两侧流向下游的马蹄形漩涡（horseshoe vortex）、桥墩两侧水流分离引起的尾流漩涡（wake vortex）。

漩涡体系在墩后及两侧还不断地由床面附近释放出小漩涡，向水面发展。

绕桥墩周围扩散的马蹄形漩涡的两翼，在尾流漩涡释放时，任何一侧每释放一个尾流漩涡，就出现一个低压中心，牵动马蹄形漩涡区内的流体做横向摆动。

单圆柱桥墩冲刷的三维数值模拟

单圆柱桥墩冲刷的三维数值模拟
吉鸿敏;张新燕;朱德兰
【期刊名称】《中国农村水利水电》
【年(卷),期】2015(0)11
【摘要】桥梁防护中由于桥墩周围的绕流冲刷极其复杂,迄今对该绕流流态及其与河床冲刷关系的认识仍不完善。

为了深入分析圆柱桥墩周围的三维水流结构及冲刷现象,利用Flow-3d三维模拟软件对不同流速下的圆柱绕流流态进行数值模拟并和模型实验对比另对圆柱桥墩周围的冲刷做了初步的模拟分析。

结果表明,Flow-3d 可以清楚地反映桥墩周围的水流流态并通过了模型实验结果验证。

说明Flow-3d 可以准确模拟单圆柱绕流并获得流场的三维瞬时流速和冲刷现象,本研究可为河床中桥墩附近的冲刷计算和防护设计提供重要的参考。

【总页数】5页(P152-155)
【关键词】单圆柱绕流;Flow-3d;数值模拟;三维流场;泥沙冲刷
【作者】吉鸿敏;张新燕;朱德兰
【作者单位】西北农林科技大学水利与建筑工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】O351.2
【相关文献】
1.双向流固耦合的圆柱式桥墩绕流的三维数值模拟 [J], 任辉;周亦唐;李睿
2.水流作用下圆柱局部冲刷三维数值模拟 [J], 李绍武;杨航
3.装配式桥墩防冲刷装置三维数值模拟 [J], 王炎; 杨蝶俪; 叶楠; 张楠楠
4.桥墩冲刷坑的三维流场测量与数值模拟 [J], 孙东坡;杨慧丽;张晓松;王二平因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

采用拦沙坝防护的浅基桥墩局部冲坑三维流场数值模拟

采用拦沙坝防护的浅基桥墩局部冲坑三维流场数值模拟
赵海镜;杜全胜;张晓松;程琳;王鹏涛
【期刊名称】《水土保持研究》
【年(卷),期】2009(16)5
【摘要】采用数值模拟的方法,针对典型工程,对桥墩周围河床局部冲刷的三维流场进行了研究。

通过将数值模拟所得流速场和物理模型中用ADV流速仪在实体模型中的量测结果进行对比和相互验证,结果较为吻合,同时分析了流场分布及不同方向流速对冲坑形成的作用。

本文所采用的桥墩局部冲刷流场数值模拟计算方法对于深入研究桥墩局部冲刷及复杂边界流场理论具有一定的参考价值,所得流速场分布结果为浅基桥梁工程防护设计提供了参考依据。

【总页数】5页(P220-224)
【关键词】数值模拟;三维流场;物理模型;局部冲刷;浅基桥墩;拦沙坝
【作者】赵海镜;杜全胜;张晓松;程琳;王鹏涛
【作者单位】中国水利水电科学研究院;黄河勘测规划设计有限公司;二滩水电开发有限责任公司;中国水电顾问集团成都勘测设计研究院;华北水利水电学院
【正文语种】中文
【中图分类】TV640.3
【相关文献】
1.非正交网格在冲坑流场数值模拟中的应用 [J], 莫伟华;李玉柱
2.挑流冲坑三维紊流场的数值模拟 [J], 王晓松;陈璧宏
3.采用拦沙坝防护的浅基桥梁墩台局部冲刷研究 [J], 伊廷军;吴清波;赵海镜
4.桥墩冲刷坑的三维流场测量与数值模拟 [J], 孙东坡;杨慧丽;张晓松;王二平因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。