通航桥区安全一向是人们高度关注和重视的问题,随着“十三五”规划的推进及各大中小型城市的快速发展,跨河桥梁的数量越来越大,密集度越来越高,跨河建筑物的增加减小了河道的有效过水面积,导致河道流速增加,桥区通航安全问题将越发突出。通过之前的逐步递进的研究,对无船限制水域单桥墩、串列双桥墩周围的水流特性及单、双桥墩与船舶运动的耦合作用机理,以及船舶以不同航速经过单桥墩时船舶的沿程受力情况有了基础性的认识,对不同行进流速下单、双桥墩周围的紊流特性及船舶的受力情况还未做相应的研究。为研究流速对水流、桥墩及船舶运动之间的影响,建立船舶运动与桥墩二维紊流的数学模型,开展了以下几方面的研究。(1)在无船情况下,研究不同流速对单桥墩周围水流特征的影响;(2)在有船情况下,研究不同流速下桥墩周围水流特性,并与无船情况进行对比分析船舶对单桥墩桥墩周围水流的影响;(3)研究船舶在不同流速下航行时受到艏摇力矩的演进规律;(4)不同流速下串列双桥墩间距敏感性分析。1.通过对不同流速下单桥墩周围水流特性及船舶所受艏摇力矩分析,得出以下结论:1).来流流速的增加导致尾涡脱落核心区的横向流速数值及其影响范围增大,尾流内波状流动振幅增大,且涡量值与流速之间呈线性关系。2).在研究流速范围内,即v≤3.5m/s,斯特劳哈尔数St随着速度的增大而减小。随着流速的增大,在桥墩下游自由剪切层翻滚前,附加新的剪切层,致使厚度增大,St减小。根据St的变化趋势,当1.5≤v≤2.0m/s时,流场结构发生较大的改变;当2.5≤v≤3.5m/s时,流场结构变化不大。紊动强烈区域随着流速的增加不断向桥墩下游扩展,并且在扩展过程中紊动能量值逐渐增大。3).船舶运动过程中所受力主要来源于船桥间流速梯度增加产生的压力及涡体贴近。不同流速下,船舶受到的艏摇力矩演进过程相似,船舶受到的艏摇力矩变化有两个正峰值和一个负峰值,峰值产生的位置没有发生改变,船体受到的艏摇力矩最大正、负峰值随着来流流速的增加逐渐增大,相同位置产生的各峰值之间并无明显的线性关系。2.通过流速对串列双桥墩周围水流特性的影响分析,得出以下结论:1).当L/D≤2.0时(L为桥墩间距,D为桥墩直径),在不同流速工况下,上游桥墩有漩涡产生,但没有形成涡的脱落,上游桥墩的尾流直接撞击在下游桥墩的边壁上,类似于单桥墩尾涡的脱落。在L/D=3.0后,上、下游桥墩均形成周期性的尾涡脱落现象,随着流速的增大,桥墩之间的尾涡强度增大。最大涡量值与流速增加幅度大致呈线性相关关系。2).综合分析流速对尾涡涡量值与尾涡脱落频率的影响,在本文研究流速范围内,不同流速对串列双桥墩上下游桥墩的叠加影响最大的桥墩间距为2~3D,桥墩间距为5D后,干涉效应基本消失,类似于单个桥墩。3).从船舶与桥墩紊流相互作用的角度分析,当v=2.0m/s时,串列双桥墩的干涉效应对船舶的影响在8.0≤L/D后消失,由于船舶的影响,串列双桥墩的干涉距离会相应加长。