圆柱绕流流态与圆柱桥墩周围冲刷关系的研究

圆柱绕流流态与圆柱桥墩周围冲刷关系的研究

1实验系统的组成1.1实验层桥墩的材料和配比实验在10m长、1.5m宽、0.6m高的矩形线性开放式池中进行。池顶部的入口端设置了旁路泵站和磁电阻量以调节流量。下游出口端设置漏水阀和磁电池以调整水深。中部为0.6m的实验段。为了确保上游到达模型区域的平坦度，模型桥墩被放置在实验段中部。本模型桥墩制作考虑的水槽压缩比应与天然河流建桥断面压缩比相近,通常桥墩间跨径为30m,桥墩直径为2m,即压缩比为1/15,而实验中水槽宽度为1.5m,圆柱桥墩直径为11cm,则压缩比为11/150,与天然河流建桥断面的压缩比基本相同。圆柱桥墩上下游共设置13个测流断面,各断面间间距均为5cm,以1断面和桥墩纵轴线的交点为原点建立平面坐标系,x轴沿断面方向,y轴沿水流方向。1.2控制海底泥沙q的测量本实验选取0.03,0.06m3/s和0.08m3/s3个放水流量,根据沙莫夫(Г.И.Шамов)泥沙起动流速公式确定上游断面的控制水深。Ve=1.14√ρs-ρρgd(hd)1/6(1)Ve=1.14ρs−ρρgd−−−−−−√(hd)1/6(1)其中Ve=QA(2)Ve=QA(2)得QA=1.14√ρs-ρρgd(hd)1/6(3)QA=1.14ρs−ρρgd−−−−−−√(hd)1/6(3)h=1d2(ρ(ρs-ρ)g)3(Q1.14A)(4)h=1d2(ρ(ρs−ρ)g)3(Q1.14A)(4)式中Ve为泥沙起动流速,m/s;ρs为泥沙的密度,取ρs=2.65×103kg/m3;ρ为水的密度,取ρ=1000kg/m3;g为重力加速度,取g=9.81m/s2;h为水深,m;d为泥沙粒径,mm;d50为泥沙中值粒径,取d50=0.547mm;A为过水断面面积,m2;Q为放水流量,m3/s。将Q=0.06m3/s代入(4)式求出控制水深h=14.62cm,保持该控制水深不变,进行3个组次的实验。各组次的实验参数见表1,每个实验组次分别测量1～13断面各测点的三维流速。2流场的特征结果分析2.1实验资料整理本实验采用挪威NortekAS公司生产的高精度三维点式超声波流速仪测流速。设定流速仪的采样频率为25Hz,每个测点持续测速8s,可得到200个数据,利用流速仪中的DataConversion命令,转化得到200个流速值组成的流速系列,即:u(i)=u(ti),v(i)=v(ti),w(i)=w(ti),i=1‚2‚⋯‚200；u(i)=u(ti),v(i)=v(ti),w(i)=w(ti),i=1‚2‚⋯‚200；取ˉu=1200200∑i=1u(i),ˉv=1200200∑i=1v(i),ˉw=1200200∑i=1w(i)u¯=1200∑i=1200u(i),v¯=1200∑i=1200v(i),w¯¯¯=1200∑i=1200w(i)式中u(i),v(i)和w(i)分别为纵向(沿y轴正向为正)、横向(沿x轴的正向为负)和垂向(向上为正)的瞬时流速;分别为纵向、横向和垂向的时均流速。2.2平面二维流场的观测与分析圆柱绕流的主要特点是水流流经桥墩时,一部分受阻挡的水流在桥墩处产生一定的挤压,出现壅水现象,另一部分则折向桥墩两侧,使其流速急剧增大,并产生挤压绕流,影响桥墩的局部冲刷。实验过程中,随着断面平均流速的增大,边界层将发生分离,形成相互反向旋转的2个对称旋涡,蜗旋趋于拉长,然后开始波动,接着开始脱离圆柱。漩涡的脱落是交替发生的,先从圆柱的一侧而后再从另一侧,脱落的涡旋随即被主流冲走。流速继续增大,漩涡从圆柱两侧连续交替脱落,并在尾流中形成两排漩涡,即为冯.卡门涡街。实验圆柱绕流的流谱变化如图1所示。图2为实验测点在不同断面平均流速U下纵向时均流速ˉuu¯和横向时均流速ˉvv¯矢量合成后得到的圆柱周围的平面二维流速场,该流场中流速是所测时均流速的定量描述,其大小和方向均为实验实测资料。由图2可见:(1)当U=0.14m/s时,墩前流场中的流速为0.12～0.14m/s,流态比较平顺。墩后流速为0.14～0.16m/s,水流扰动不大。随着U的增大,各点流速明显增大,且墩后水流扰动更加剧烈。当U=0.37m/s时,流场中流速范围增大为0.32～0.44m/s。(2)同一流速U情况下,水流在墩前壅水处流速减小,桥墩两侧流速急剧变大,墩后流速较小,流向不规则,并伴有漩涡出现。距离桥墩越远,水流流态越平顺。2.3横向时均流速ˉvv¯的变化图2流场中的流速是横向时均流速ˉvv¯与纵向时均流速ˉu矢量的合成,平面二维流场中流速的偏移方向直接受横向流速大小的影响。在不同流速U下为了分析ˉv在圆柱周围各测点处的变化规律,选定圆柱上下游4个断面作为反映ˉv变化的典型断面(定义测点距y轴的距离与圆柱半径r的比值m表示测点与桥墩纵轴线间的相对距离)。如表2,3所示。由表2可见:(1)同一断面平均流速U下,自桥墩纵轴线(m=0)开始,ˉv先增大而后减小,最大值一般在相对距离m=1.82附近,在m>6.36时ˉv值趋向稳定,圆柱绕流对横向水流的影响减弱。(2)结合图3可以看出,ˉv为正值表示流场中流速的方向偏向桥墩,负值表示方向偏离桥墩。在4断面,墩轴线附近ˉv的流向主要为负,m>1.82范围内流向主要为正,说明墩前水流方向在墩轴线附近偏向桥墩,外侧偏离桥墩。在6断面,所测测点范围内水流方向在不同流速U下均偏离桥墩。可见水流从4断面流向6断面时,圆柱绕流开始发生。从表3可以看出:(1)横向时均流速ˉv随断面平均流速U的增大而增大,U越大,ˉv的变化越大,横向绕流越明显。(2)当流速U=0.14m/s时,从8断面向9断面的过渡过程中,流场中方向偏向桥墩的流速范围逐渐扩大,即绕流宽度逐渐扩大,在9断面产生最大的绕流宽度,此时的绕流宽度大于7.27r,r为圆柱桥墩半径。随着流速的增大,绕流宽度逐渐减小,当U=0.37m/s时,9断面绕流宽度约为3r。2.4垂向流速ˉw在二维流场分析的基础上,进一步分析典型断面垂向时均流速ˉw的变化。图3给出8断面(y=35cm)和13断面(y=60cm)的垂向时均流速分布。(1)在不同断面平均流速U下,ˉw均出现先增大后减小的趋势。且在m=0.91附近出现最大垂向波动流速。由8断面到13断面,圆柱轴线附近的垂向流速逐渐变大。(2)当流速U=0.14m/s时13断面垂向流速数值较8断面减小,且无明显波动,即圆柱对绕流影响减弱;随着U值的增大,13断面垂向时均流速数值及波动范围均比8断面大,即河道流越大,绕流流程相对越长,与平面流场所得结论相同。3道断面平均流速(1)在开放直线水槽实验中,利用Vectrino小威龙点式流速仪精确测量水流的瞬时流速,得出圆柱桥墩绕流纵向、横向和垂向的三维时均流速分布。(2)通过对不同断面平均流速U下的平面二维流场的分析发现,河道断面平均流速U的大小直接影响圆柱绕流的流态,一般U越大,圆柱绕流的横向绕流宽度增长较慢,绕流范围的纵向流程越长,对河床的冲刷范围相对狭长,冲刷强度大,冲坑较深;断面平均流速U越小,横向绕流宽度增长快,绕流范围的纵向流程越短,对河床冲刷呈宽广型,使冲刷强度减小,冲坑较浅。(3)