基于CFX数值模拟的泥石流对桥墩冲击效应研究

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泥石流是山区常见的一种自然灾害现象,由泥沙、石块等松散固体物质和水混合组成的一种特殊流体,在我国西南地区分布极为广泛。在泥石流分布广泛的西南山区,桥梁成为了跨越泥石流区域的首选方式。桥梁属于道路交通中的关键部位,是不允许出现任何问题的。一旦桥梁被泥石流冲击损毁,必然会使交通停滞,造成巨大的经济损失。为了保证道路交通的通畅,减小泥石流对桥墩的破坏,分析泥石流对桥墩的冲击效应有着重要的实际意义。目前在泥石流对桥墩冲击力的研究中,大多是基于已发生的泥石流灾害总结而来的半理论半经验且相对保守的计算公式,并不能真实的反应桥墩在泥石流冲击作用下的受力状况。故本文就泥石流对桥墩冲击效应展开研究。本文首先介绍泥石流运动的相关参数,给出了泥石流容重、流速、流量和冲击力等参数的计算方法,详细分析了泥石流的控制方程、流变力学模型、泥石流数值模拟分析方法,确定本次模拟的流变力学模型和数值方法。借助ANSYS Workbench计算流体动力学的CFX模块,对3种常见形式的桥墩:双柱墩、实心墩、空心墩进行泥石流冲击的数值模拟分析,通过改变桥墩截面形状、墩间距、迎流面宽度、横截面面积和空心墩的壁厚等参数,对比分析各个桥墩在泥石流作用下泥石流浆体体积分布情况,流线轨迹图,桥墩的压强分布图,桥墩承受冲击力大小和桥墩拉应力的区别,为泥石流区域桥墩设计选型和防护提供重要的工程参考价值和理论意义。利用ANSYS Workbench仿真模拟分析泥石流冲击参数流速,容重和冲击高度的变化对桥墩冲击效应的影响,对比分析数值仿真模拟与现有泥石流浆体整体冲击力计算公式的区别,在现有计算公式的基础上,结合仿真模拟得到的数据对泥石流浆体整体冲击力公式进行简化和修正,得到了基于数值模拟分析的泥石流整体冲击力计算公式。该公式较好的反应了泥石流冲击作用沿桥墩的分布状况,为泥石流区域桥墩的减灾防灾设计提供一定的依据。
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