波流共同作用下大直径圆柱周围冲刷及水动力特性研究

论文摘要

随着新型能源需求量不断增大,大直径圆柱被广泛用作近海岸风电装置的基础桩柱。在近海地区,波流共同作用会引起剧烈的泥沙运动,导致采用大直径桩柱基础的风电装置周围发生局部冲刷,严重影响风电装置的整体稳定性。大直径桩柱周围局部冲刷其理论本质为桩柱周围流场影响下的泥沙输运,因此对波流共同作用下大直径圆柱周围的局部冲刷及水动力特性的研究具有重要的工程意义。采用物理试验与数值模拟相结合的方法,分别对波流共同作用下大直径圆柱周围的局部冲刷和冲刷坑内的水动力特性开展研究。首先采用中值粒径为0.22mm的均匀沙在波流水槽中布置平底沙床,对波流共同作用下大直径圆柱周围的冲刷特性开展试验研究,通过改变波要素、水流流速来探讨不同KC数、Fr数和Ucw数（Ucw为水流流速比重,Ucw=Uc/（Uc+Uw）,Uc为水流速度,Uw为近底波浪水质点的水平速度最大值）对大直径圆柱周围局部冲刷特性的影响,同时考虑冲刷时间尺度的影响,拟合得到波流共同作用下小KC数条件下的大直径圆柱局部冲深计算公式。然后通过RNG k-ε湍流模型闭合的三维稳定雷诺时均Navier-Stokes方程对波流共同作用下大直径圆柱周围的涡流结构进行数值模拟,得到圆柱周围及冲刷坑内的涡流结构随时间的演变过程,探讨柱周涡流结构对局部冲刷的影响。结果表明:（1）Ucw数可以作为波流共同作用时区别强波弱流组合或强流弱波组合的判别标准。当Ucs<0.43时,波浪在整个冲刷过程起主导作用,床面冲刷形态以均匀连续的小尺度沙波为主,柱周冲刷坑尺度较小。当Ucw>0.43时,水流在整个冲刷过程起主导作用,圆柱周围冲刷形态由双喇叭型向倒圆锥型发展,且床面沙波尺度逐渐增大。（2）当Ucw>0.43时,随着KC数增大,圆柱周围冲刷形态依旧保持双喇叭型,圆柱上游床面出现凹凸相间的连续沙波,且柱前沙波尺度随KC数增大而逐渐增大。（3）当θw<0.15时,无量纲特征时间尺度T*随Ucw数的改变呈现出两种不同的变化趋势,当Ucw<0.43时,T*随Ucw数增大而逐渐增大,而当Ucw>0.43时,T*随Ucw数增大而迅速减小。（4）得到相对平衡冲深Se/D与Fr数之间的经验公式,发现相对平衡冲深Se/D随着Fr数增大而增大,当Fr数增大到0.8时,Se/D达到临界值（Se/D≈1.49）,随后基本保持不变。（5）小KC数条件下,相对平衡冲深Se/D对Ucw数的依赖性很强,Ucw数稍微增加即可导致冲刷深度显著增加。（6）基于Q准则原理得到了强流弱波组合情况下,冲刷非常接近平衡状态时的柱周三维涡流结构。发现在波流作用的整个过程中,柱前冲刷坑内的马蹄涡结构始终保持相对稳定状态,且涡核处的水平流速能谱分布呈现为单峰模式,而柱后尾涡结构表现出:形成、过渡及分离脱落三种不同表现状态。表明当柱周冲刷非常接近平衡状态时,冲刷坑内的马蹄涡结构相对稳定,与冲刷初始时马蹄涡表现出的不稳定性现象不同。（7）随着极角Φ增大,马蹄涡强度减弱,且涡核位置逐渐远离圆柱表面。当Φ=90°时,冲刷坑内的马蹄涡结构基本消失。在-90°<Φ<90°范围内,冲刷坑内的床面切应力均要小于冲刷初始时圆柱附近的床面切应力,Φ=45°处的床面切应力最大。当Φ=180°时,柱后冲刷坑的存在使得柱后产生强烈的上升流,并与柱侧绕流发生相互作用,产生强烈的尾涡,导致柱后的床面切应力要远大于冲刷初始时柱后的床面切应力。（8）通过对比柱周床面切应力分布发现,当柱周冲刷非常接近平衡状态时,冲刷坑内不同断面上的床面切应力仍稍大于泥沙起动的临界切应力,表明当柱周冲刷非常接近平衡状态时,柱周冲刷速率虽然很缓慢,但并未达到最终的冲刷平衡状态,柱周冲刷仍在缓慢持续进行,进而解释了以往众多学者在物理试验过程中,忽略了冲刷时间尺度的影响,导致拟合得到的柱周冲深公式计算值往往偏小的原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 水流作用下圆柱局部冲刷
•     1.2.2 波浪作用下圆柱局部冲刷
•     1.2.3 波流共同作用下圆柱局部冲刷
•     1.2.4 水流作用下圆柱周围水动力特性
•     1.2.5 水流作用下圆柱周围冲刷坑内水动力特性
•   1.3 研究内容
• 第二章 物理模型试验概述
•   2.1 试验仪器及设备
•   2.2 试验布置
•   2.3 试验方案
•   2.4 试验步骤
•   2.5 试验结果对比
•     2.5.1 平衡冲深对比
•     2.5.2 冲刷发展历时对比
•     2.5.3 冲刷形态对比
•   2.6 本章小结
• 第三章 波流作用下大直径圆柱周围局部冲刷特性
• cw数对冲刷形态的影响'>  3.1 U_cw数对冲刷形态的影响
•   3.2 KC数对冲刷形态的影响
•   3.3 冲刷发展历时曲线
•   3.4 冲刷特征时间尺度
•   3.5 Fr数对冲深的影响
• cw数对冲深的影响'>  3.6 U_cw数对冲深的影响
•   3.7 冲深公式拟合
•   3.8 本章小结
• 第四章 波流作用下冲刷坑内水动力特性
•   4.1 Flow3d软件介绍
•     4.1.1 控制方程
•     4.1.2 湍流模型
•     4.1.3 自由表面追踪方法
•     4.1.4 边界条件及初始条件
•     4.1.5 控制方程的离散与求解
•   4.2 三维波流水槽的构建与验证
•     4.2.1 波流水槽构建
•     4.2.2 波流水槽验证
•   4.3 冲刷坑内水动力特性数值模拟
•     4.3.1 模型构建
•     4.3.2 柱周三维波面分布
•     4.3.3 柱周流速分布
•     4.3.4 马蹄涡结构
•     4.3.5 尾涡结构
•     4.3.6 冲刷坑内床面切应力分布对比
•   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
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表论文目录
• 附录B 攻读学位期间从事科研项目目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 姜松

导师: 程永舟

关键词: 波流共同作用,大直径圆柱,时间尺度,局部冲刷,水动力特性

来源: 长沙理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程,电力工业

单位: 长沙理工大学

分类号: TV148;TM614

DOI: 10.26985/d.cnki.gcsjc.2019.000101

总页数: 96

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