模型桥墩附近流场三维水流分布研究

模型桥墩附近流场三维水流分布研究

近年来，一些河流中沙子过多，导致铁路和公路桥梁附近河床的回归，降低了桥梁桥墩底板的深度。这会造成桥梁墩台晃动、墩顶横向振幅超限,威胁桥梁的安全与稳定。工程实践表明,在桥墩下游适当位置修建拦沙坝是一种较好的防护措施。目前拦沙坝对桥梁的防护效果及两者间的相互影响还缺乏细致系统的观测,因此开展这方面的研究对于完善桥墩局部冲刷理论与桥梁墩台防护工程设计都具有重要意义。本文拟通过概化水力模型,研究采用拦沙坝防护后桥梁墩台周围的三维水流结构、冲坑形态和深度变化。运用ADV流速仪对桥墩局部冲刷稳定后的三维流场进行精细测量,同时以典型冲坑为边界的三维水流数值模拟结果与其对照,深入研究桥墩局部流场特性及拦沙坝对局部冲刷的影响。1桥附近三维速度场的测量和分析1.1模型床沙与概化单体试验典型桥梁选择下游采用拦沙坝防护的陇海线氵产河铁路桥,单墩布置形式及尺寸见图1。通过水力模拟,探求桥墩局部冲刷坑的流场特性。模型几何比尺为1∶25,模型床沙采用天然沙,中径d50=0.55mm,桥墩及拦沙坝用有机玻璃制作。概化单体试验在长15m、宽0.8m的玻璃水槽中进行,采用声学多普勒测速仪(AcousticDopplerVelocity,ADV)流速仪监测流场三维流速。按不同设计洪水、不同防护坝布置进行冲刷试验,最大来流流速v=4.3～6.2m/s,相应来流的弗劳德数Fr=0.8～1.2。1.2维流速场实测SontekADV是一种单点、高分辨率流速仪,它依据声学多普勒效应,使用一个发送器与三个接收器,接收经水体中固体微粒散射后产生的频率差信号,通过信号处理软件分析、合成,便可得到采样水体的三维水流速度。ADV流速仪在水槽试验中使用连接如图2所示。单体模型中的坐标系统如图3所示:x为水流反方向,y为垂直水槽边壁方向,z为铅垂向上,坐标原点0位于桥墩承台面前沿中点。流速测点分布取决于桥墩流场特性,冲刷坑内x方向测点间距为4cm,y方向测点间距取2.5cm;z方向测点间距取1.0cm。对于不同设计洪水试验,待桥墩局部冲刷基本稳定后,对桥墩附近流速场进行测量。验证试验表明,桥墩绕流关于x轴对称,因此试验仅测量了y>0的部分,流速场进行了镜像处理。采用Matlab程序对采集的三维流速数据进行了过滤及其它处理。ADV相关系数是由流速仪计算结果直接输出的数据品质参数,用于监控数据质量。理想相关值应该是在70%～100%,把相关值小于70%的流速全部过滤。分析过滤后的实测流速数据资料,可得到桥墩冲刷坑附近的三维流速矢量场。图4(单宽流量q=5.59m3/s·m)从不同视角反映了流速矢量的空间分布,水流方向如长箭头所示。1.3下潜水流中的脉动强度受桥墩阻水影响,墩前水流分成了两部分:当y/h>0.6时部分的水流直冲桥墩,在墩前产生向上的涌浪;当y/h<0.6时部分的水流则很明显的产生了下冲的趋势,形成墩前下潜水流和桥墩周围流场的旋涡体系。桥墩绕流的挤压作用使两侧流流速加大,形成局部水面跌落与回升,桥墩末端形成尾流涡旋区。在水流中加入高锰酸钾示踪剂,可清楚地看到在墩后中部形成立轴漩涡。桥墩局部冲刷的主要动力,是来自墩前大尺度的横轴环流。下潜水流在坑底沿桥墩两侧生成马蹄形漩涡使河床淘刷向两侧与下游延伸;不断地从桥墩末端释放出来尾流旋涡,又促进桥墩下游续冲刷进一步发展,同时形成燕尾型堆丘,桥墩冲坑平面形态见图5。根据ADV流速仪采集的瞬时流速资料,统计得到桥墩流场各测点的三维脉动强度Tx、Ty、Tz。该区域水流脉动强度的垂向分布规律有两种类型,可以用墩前(侧向)非尾流区的脉动强度垂线分布和墩后尾流区内的脉动强度垂线分布分别表征。墩前与桥墩两侧非尾流区的脉动强度沿垂线变化趋势相似,如图6所示。下潜水流使Tx、Ty、Tz在近底附近(y/h=0.04～0.12)脉动强度较大,在y/h=0.06～0.1处达到最大值;三个方向脉动强度变动幅度和最大值遵循:Ty>Tz>Tx;在y/h=0.15～0.8的范围内,Tx、Ty、Tz的变幅接近于零。图7显示尾流区内的Tx、Ty、Tz垂线分布曲线有多个拐点,表明不同流层中的尾流旋涡影响了脉动强度的垂线分布。横向脉动强度Ty值和变幅明显大于Tx、Tz,说明在尾流区边界层分离引起的横向涡旋非常强烈。1.4有拦沙防护坝结构局部冲刷的结构修建拦沙坝后的桥梁局部冲刷水流现象与无桥梁防护坝时基本相似。但由于拦沙坝的存在形成了桥梁下游新的水流边界条件,对桥墩下游产生的壅水作用,使桥墩至拦沙坝前沿河段可以保持一个稳定的水深与相对变缓的水面坡降,从而减小了桥墩局部冲刷,河床侵蚀下切的上延也被阻拦,对桥梁起到了有效的保护作用。有拦沙防护坝的桥墩局部冲刷具有以下几个新的特点:(1)增加防护坝坝顶高程,减小了局部水面比降,会使桥墩局部冲刷坑深度相应减小。但防护坝坝顶高程过高也会引起桥梁下游局部壅水,影响桥梁过流能力与堤岸的防洪标准。相同防护坝顶高程下,桥墩冲刷坑深度随流量的增加相应增大,但最大冲刷深度均比无防护坝时小。(2)改变拦沙坝与桥墩之间的距离L,改变桥墩下游河床纵坡,也会以影响桥墩局部冲坑的深度和范围。如果L过近,使防护坝坝前横轴环流与桥墩后的尾流旋涡叠加,反而会造成桥墩局部冲刷深度增大。(3)从保护桥墩与防洪两者综合考虑,防护坝的坝顶高程与位置对给定的桥梁与洪水、河床边界条件,有一个最佳值。试验表明一般拦沙坝顶高程高于墩轴线河床原始高程,以Δz=0.5～1.0m为宜,桥墩与拦沙坝之间调整后的底坡ic宜控制在-0.011～-0.022(ic=Δz/L)。2桥附近三维流场的值的模拟分析2.1k-湍流模型三维水流数学模型的建立,选用FDM方法求解粘性流体雷诺微分方程。应用k-ε湍流模型补充方程求解雷诺应力,使不可压湍流基本方程在时间平均后得到封闭方程组。处理自由表面采用VOF即体积函数技术,对水面进行良好的跟踪,另外模型采用笛卡尔坐标系均匀立方体网格。2.1.1流体密度及紊动温度连续方程∂ui∂xi=0(1)动量方程∂u¯i∂t+∂u¯iu¯j∂xj=−∂p∂xi+∂∂xj[νt(∂u¯i∂xj+∂u¯jxi)](2)连续方程∂ui∂xi=0(1)动量方程∂u¯i∂t+∂u¯iu¯j∂xj=-∂p∂xi+∂∂xj[νt(∂u¯i∂xj+∂u¯jxi)](2)式中ρ为流体密度;p为压强;t为时间;ui为i方向的速度分量;νt为紊动粘性系数。式(2)中νt为未知参数,按照目前常用的k-ε紊流模型,νt由下式确定:νt=cuk2ε(3)νt=cuk2ε(3)其中单位水体紊动动能k及紊动动能耗散率ε的输运方程为∂k∂t+ui∂k∂xi=∂∂xi[(νtσk)∂k∂xi]+G−ε(4)∂ε∂t+ui∂ε∂xi=∂∂xi[(νtσε)∂ε∂xi]+C1εkG+C2ρε2k(5)∂k∂t+ui∂k∂xi=∂∂xi[(νtσk)∂k∂xi]+G-ε(4)∂ε∂t+ui∂ε∂xi=∂∂xi[(νtσε)∂ε∂xi]+C1εkG+C2ρε2k(5)此处G为紊动动能产生项,用下式表示:G=νt[2(∂ui∂xi)2+(∂ui∂xj+∂uj∂xi)2](6)G=νt[2(∂ui∂xi)2+(∂ui∂xj+∂uj∂xi)2](6)在上述紊流模型方程中,经验系数取值为:C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。2.1.2自由水面计算采用有限体积法对每一控制体分别进行水量和动量平衡计算,得到一组以控制体特征量平均的物理量为未知数的代数方程组,同时沿坐标方向对方程组进行离散,形成离散方程。对相邻控制体,跨控制体间界面输运的通量大小相等,方向相反,整个计算区域沿所有内部边界的通量相互抵消。对由多个控制体组成的区域,都严格满足物理守恒定律。自由水面计算采用适用于两种或多种互不穿透流体相间界面追踪计算的VOF法。在VOF模型中,引入了体积分数变量aq(第q相流体的体积分数),根据控制网格单元中aq值来判断该控制网格中第q相流体的充盈情况:aq=0表示该控制网格内没有第q相流体;aq=1表示该控制网格内完全充满第q相流体;0<aq<1表示该控制网格内包含第q相流体与其他流体的相间界面。在每个控制单元格内各相体积分数之和为1。2.2结果表明，模拟计算的结果与分析评价2.2.1单次启动工况流态图和正截面线采用单体模型实测桥墩局部冲刷稳定后的河床地形,确定数值模型计算范围(水流方向长800cm,平面垂直水流方向宽80cm,竖直方向高56cm)。有限控制体网格尺寸为:长2cm、宽2cm、高2.4cm,水流条件按照单体物理模型试验工况组次安排设置。计算结果主要包括不同工况水体空间分布、流速空间分布、水体压强分布等。经过可视化处理绘制成流态图、流速矢量图以及水面线。这里仅给出单宽流量为8.4m3/(s·m)、墩坝间距75m、坝顶高390m工况时,模拟区流场流态(图8)、桥墩局部流速矢量分布(图9)以及模拟区三维流速场(图10)。2.2.2单宽流速垂向分布模型试验验证将数值模拟有关水流流态、水面线、流速分布的计算结果与试验录像和ADV测速仪实测值进行了对比,均比较吻合,这里只介绍桥墩冲刷坑附近三维流速场的对比结果。将图4的ADV实测三维流速场与图9、图10的数值模拟三维流速场进行对比,可以看到两种模拟均有墩前下切流速和横轴环流的流动特征,都有墩前涌浪和向桥墩两侧分流的现象,环流的位置与强度两者也相仿。在图4和图9中都可以看到墩后形成的低速区与尾部立轴漩涡区;图10中反映的流速垂向分布也完全符合桥墩附近实测流速分布及近水面流速特点。在单宽流量为q=5.59m3/(s·m)、拦沙坝距桥墩中心线45m、坝顶高程390.5m工况时,将墩前垂向中轴线(x=1.0m,y=0)时流速分布的模型试验实测值与数值模拟计算值进行了对比(图11)。由图可以看到,两种方法得到的x(纵)、y(横)、z(垂)三方向上相应流速u、v、w值的相对误差都很小,基本在5%～10%以内,说明ADV测量值与数值模拟结果能够相互验证桥墩冲刷坑内流速分布的真实一致性。从流速垂线分布曲线上可以看到:测量值分布存在偶然误差,而计算值分布更偏于连续光滑。垂向流速在冲坑深度为一半位置时增至最大,而后又开始减小,至近底部最小。以垂向流速最大位置为分界,在分界点以上纵向流速与水流方向一致,越靠近水面流速越大;而在分界点以下纵向流速则与水流方向相反,垂向流速与纵向流速共同作用下形成了墩前横轴环流,对桥墩局部冲刷起主导作用。纵向流速在分界点以下0.72～0.80时冲坑深度处达到最大;受边界黏性底层的影响,越近底流速相应越小。墩前横向时均流速量值很小,沿垂线波动微弱,对桥墩局部冲刷的影响可略。两类模拟流场的相似性表明,数值模拟结果基本符合桥墩局部冲刷及绕流流场的特征,并可补充试验测量值的不完善性。3有拦沙坝桥墩局部冲刷深度的数值模拟分析(1)采用ADV流速仪实测了桥墩局部冲刷坑的三维流速分布,统计分析了桥墩附近的水流紊动强度特点,并分析给出了有拦沙防护坝时桥墩局部冲刷的新特点:增加防护坝可以使桥墩局部冲刷坑深度相应减小;拦沙坝与桥墩之间的距离L如过近反而会造成桥墩局部冲刷深度增大;防护坝坝顶高程与位置