非均匀沙质河床双排圆柱桥墩局部冲刷试验研究

论文摘要

河流河道内桥梁基础改变了河流水流形态,导致桥梁基础局部冲刷,对桥梁安全造成威胁。同时,山区河流床沙多为砾石、卵石挟沙物质,床沙级配范围较广,泥沙不均匀程度大。目前对于双排圆柱桥墩下非均匀沙质河床的局部冲刷研究成果较少,工程实际多采用双排圆柱桥墩布置形式,开展非均匀沙质河床下双排圆柱桥墩局部冲刷试验研究很有必要。本文开展了双圆柱桥墩水槽物理模型试验,调研获取黑石渡大桥桥位区床沙级配作为非均匀沙典型级配,配置中值粒径相同、非均匀系数不同的试验沙样,开展冲刷试验;测量并分析了双圆柱桥墩阻水作用下,双圆柱桥墩紊流场的分布特征,探讨了相同流速与不同流速作用下,泥沙不均匀性与双圆柱桥墩局部冲刷坑、墩后沙丘分布的关系,对不同非均匀沙条件下冲坑形态特征进行了探讨。结果表明:双圆柱桥墩墩侧L4测线处,水流行进方向流速分布呈现出三个流速峰值;双圆柱串列中轴线,距上下游桥墩墩后10cm的两测量断面,三方向湍动强度随Z/H值的减小而先增大后减小,在相对水深0.45处达到最大。且前一断面处湍流附加切应力值大于后者;考虑流速因素,低流速时,两墩局部冲坑深度及半径均随床沙非均匀性的增大呈现出先增大后不变的趋势;墩后沙丘随泥沙非均匀性增大呈现先增大后减小,双排桥墩冲坑各自独立;随着流速增大,双桥墩局部冲坑冲深及半径增大且前排墩墩后与沙丘与后排墩冲坑相连;无论泥沙非均匀系数的大小,墩后两侧沙丘的堆积均起始于两墩墩后与水流方向夹角约45°～60°处。论文采用Flow-3d软件,建立三维水沙两相流模型,设置非均匀混合沙参数,基于RNG k-ε湍流模型,采用嵌套网格法对几何模型进行离散化处理并局部加密,分析了大流速下泥沙时流场的水流特性以及局部冲坑变化特征。数值模拟结果与试验结果能够较好吻合,证明了数值模拟的有效性和合理性,为非均匀沙的三维数值模拟方法提供了参考。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 桥墩局部冲刷研究现状

1.2.1 桥墩局部冲刷理论研究现状

1.2.2 原形观测及物理模型试验研究现状

1.2.3 桥墩局部冲刷数值模拟研究现状

1.3 非均匀沙河床冲刷研究现状

1.4 研究内容及技术路线

1.5 技术路线图

第二章非均匀沙质河床双排桥墩局部冲刷模型试验

2.1 试验方案设计

2.1.1 试验装置

2.1.2 试验沙样

2.1.3 试验测点布置

2.1.4 试验步骤

2.2 双圆柱桥墩墩周流场分析

2.2.1 墩周流场结构

2.2.2 时均流速分布

2.3 墩周紊流特征分析

2.3.1 水流湍动强度分析

2.3.2 湍流附加切应力分析

2.4 双排桥墩局部冲坑特征分析

2.4.1 双排桥墩冲坑历时演变

2.4.2 相同流速、不同非均匀系数泥沙冲坑特征分析

2.4.3 不同流速、相同级配非均匀沙冲坑特征分析

2.5 本章小结

第三章桥墩局部冲刷数值模拟基本理论

3.1 FLOW-3D软件

3.2 流体力学基本控制方程

3.2.1 系统与控制体

3.2.2 质量守恒方程

3.2.3 动量守恒方程

3.3 湍流模型

3.3.1 标准k-ε模型

3.3.2 RNG k-ε模型

3.4 自由表面的处理

3.5 控制方程离散方法

3.6 Sediment scour模型

3.7 本章小结

第四章非均匀沙质河床双排桥墩局部冲刷数值模拟

4.1 双圆柱桥墩局部冲刷数值模拟

4.1.1 模型建立

4.1.2 模型网格划分及边界条件设置

4.1.3 初始化与物理模块的调用

4.2 数值模型验证

4.3 双圆柱桥墩冲刷结果分析

4.3.1 桥墩局部水面线

4.3.2 墩周矢量及流线图

4.3.3 双圆柱墩冲坑变化结果分析

4.4 本章小结

第五章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王智超

导师: 魏松,宋新江

关键词: 双圆柱桥墩,局部冲刷,非均匀沙,水沙两相流,数值模拟

来源: 合肥工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,公路与水路运输,水利水电工程

单位: 合肥工业大学

分类号: TV149;U442.32

DOI: 10.27101/d.cnki.ghfgu.2019.000564

总页数: 81

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