近年来,随着交通运输业的快速发展,我国兴建了大量跨江跨海大桥。伴随桥梁的修建,原有航道中增加了相当数量的桥墩。桥墩对桥梁起到支撑作用的同时,却改变了航道原有的流场,流场的改变必然会对桥墩附近通航船舶带来影响,这就带来了桥墩附近船舶操纵与控制的问题。尽管船舶与桥墩碰撞的可能性较低,但是一旦发生就很可能造成严重的后果。本研究采用CFD数值模拟分析和船模试验方法,研究了不同流速下桥墩附近通航船舶操纵运动和桥墩附近流场影响区域的问题,研究结果对船-桥避碰和安全通航评估技术有一定的指导意义。本文主要内容包括:(1)回顾和总结了船-桥碰撞问题的研究方法和研究现状。介绍了计算流体动力学的基本理论,结合RNGk-ε湍流模型、VOF两相流模型等,给出了非定常状态下粘性不可压缩流体的流动控制方程。(2)通过采用VOF两相流的CFD数值模拟和缩尺模型试验对流场特征点的速度进行了测量,研究了不同流速、不同流向角下的桥墩附近流场的速度分布。根据流场的速度分布的结果,确定了桥墩对其两侧流场的影响区域为3.3B(B为桥墩宽度)。(3)通过采用二维动网格的CFD数值模拟和受控状态的船模通过桥墩附近水域的试验研究了桥墩附近通航船舶在不同来流速度、距桥墩不同位置下的操纵运动。通过桥墩附近船舶通航全过程流场分析以及侧向力、力矩系数的结果确定了桥墩在纵向上对船舶通航的影响区域为2倍的船长L与桥墩长度l之和,并验证了桥墩两侧3.3B范围内对通航船舶的影响性。(4)结合试验结果和数值模拟结果,提出影响桥墩附近船舶安全通航的流速范围和通航尺度。水流流速是影响桥墩附近通航船舶操纵运动的主要因素。在较低流速时,船舶能通过合理操舵安全通过桥墩附近水域;在流速较高(0.5倍航速)且船舶顺水流航行时,即便操舵仍不易保持航向。在不同的流速下,桥墩都会使桥墩正前和正后方水流速度降低、桥墩两侧的流速增加。以桥墩中心为原点,可划定一个2(L+l)×7.6B的区域为船舶安全通航影响区域。桥墩两侧的影响区域在3.3B(不含桥墩尺寸)范围内;沿桥墩纵向,影响区域为2倍的船长L与桥墩长度l之和。