不同墩径下双圆柱桥墩弯道水流特性研究

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随着社会经济的快速发展,道路交通发展迅速,涉河桥梁日趋增多,而由于建桥不当危及河道堤防安全、影响河势稳定、造成泄洪不畅等问题时有发生。有关涉河桥梁对河道水流特性影响的研究已有较多的学者开展了理论分析、物理试验和数值模拟研究,但针对大曲率弯道河流中涉桥问题相对较少。本文采用物理模型试验和数值模拟相结合的技术路线,研究了双排桥墩不同墩径条件下,建桥后对弯道水流特性的影响。论文首先设计了物理模型,开展了不同桥墩压缩比工况下的水流流态、流速分布及紊动强度试验研究。在此基础上,利用Fluent软件,开展了不同压缩比双排桥墩布设下的数值模拟,得到了河道水位、流速及桥墩流速场分布特征。主要研究内容和结论如下:(1)建立物理模型,开展无桥墩和桥墩布设工况下流态、水位和流速特性试验研究。研究结果表明,水流流经桥墩周围时产生绕流,两排桥墩之间水面跌落后二次壅高,墩后存在两列反向旋转的连续不对称旋涡,漩涡先从桥墩一侧出现脱离而后发展到另一侧,随着桥墩压缩比的减小,墩后旋涡区范围增大。水位壅高值与桥墩压缩比呈负相关,与弗劳德数呈正相关,凸岸侧水位壅高值大于凹岸侧。桥墩布设后,水流主流位置集中在弯道中心附近。桥梁墩径对水位、流速具有较大影响。(2)利用Vectrino流速仪测定三维瞬时流速,对桥墩布设工况下水流紊动特性进行分析。结果表明,建桥加剧了墩后断面流速分布的不均匀程度,纵向流速脉动值相对于横向流速及垂向流速更为强烈;墩后紊动强度较墩前大,且随着压缩比的减小紊动强度呈增大趋势。(3)建立Fluent流体仿真软件数值模型,对弯道内不同压缩比下双圆柱桥墩进行三维数值模拟,分析不同压缩比下最大水位壅高及双排桥墩流速场分布规律。模拟结果表明,墩前水位随着桥墩压缩比的减小而增大,壅水高度自墩前向上游逐渐减小,压缩比越小桥墩壅水向上游降幅越慢,压缩比为0.750时在3倍墩径处产生壅水。两排桥墩之间局部二次水位壅高随压缩比的减小而增加,较无桥墩而言,在双排桥墩之间存在低水位高流速易于冲刷部位。五种压缩比下墩前断面流速均趋于减小,而紧邻墩前的3#断面流速减小最明显。墩后流场由于桥墩的阻碍作用产生尾流旋涡,尾流旋涡促使桥墩底部受水流的冲击作用增大,在桥墩后出现带状流速分布,墩径越大即压缩比越小,则带状分布范围越大。墩前垂线方向出现下潜流,下潜流加剧了水流对桥墩底部的冲刷。因此,对于不同的压缩比,大墩径桥墩更易于加大桥墩底部局部冲刷,在工程实践桥梁抗冲刷防护及摩擦桩承载力计算中应考虑其影响。(4)基于Fluent数值模型,分析不同水深处压缩比μ1=0.875、μ2=0.844和μ3=0.813的压强分布规律。结果显示,前排桥墩墩前形成了压力增高区,桥墩后侧和桥墩之间为压力降低区,随着压缩比的减小,分区越明显。对于桥墩之间,由于墩间有效过水断面减小,流速增大,桥墩之间的压强最小。以期为同类工程优化墩径选择和桥墩布设方案提供参考。
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