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桥梁墩台局部冲刷与CFD仿真研究

刘震卿  
【摘要】: 桥梁墩台局部冲刷是导致桥梁破坏的重要原因之一,桥梁墩台最大局部冲刷坑深度以及冲刷坑形态的正确预测,是桥梁合理设计和安全运营的重要保障。 最近几十年来,研究人员通过大量的原位观测和物理模型试验获得了丰富的实测与试验数据,并以此为基础总结了一些被广泛使用的经验公式。但是这些经验公式的精度不高,由不同计算公式获得的冲刷坑深度往往差别很大。 本文尝试基于计算流体动力学(CFD)开展了桥梁墩台局部冲刷的研究,在广泛阅读国内外冲刷文献的基础上,开展了下述主要工作: 1)介绍了国内外桥梁墩台冲刷计算的经验公式,以实际工程为例对各经验公式的计算结果作了较详细的比较,表明不同公式得到的结果差别较大,研究新的冲刷预测方法很有必要。 2)基于计算流体动力学原理,本文在FLUENT中使用标准k-ε湍流模型,结合壁面函数法,对桥梁墩台周围的复杂流场进行三维数值模拟,获得了桥梁墩台周围的流场及河床的切应力分布;编写UDF程序根据推移质输沙模型计算河床高程的瞬时变化,使用C++编写冲刷模拟程序,冲刷模拟程序中包含FLUENT调用模块以及运动网格模块。FLUENT作为冲刷模拟程序的一个子程序,在每个时间步下计算河床各个节点高程的变化。对Gambit网格划分平台作二次开发,使其具备生成逐层网格的功能。编写σ动网格模块,使用此模块根据河床高程的变化以及σ变化法则计算各个节点的坐标变化并更新计算域网格,σ动网格模块成功拟合了实时变化的河床,实现了局部冲刷的CFD模拟。 3)以具有试验结果的圆柱形桥墩和半圆形桥台为研究对象,采用本文方法,计算得到各自冲刷坑深度、冲刷坑形态以及冲刷坑周围的流场分布。CFD计算结果同试验的一致性证明了本文方法的有效性,本文方法能较合理的预测桥梁墩台的最大冲刷坑深度。 4)对目前常用的冲刷防护方法做了系统的阐述,指出了各自方法的优缺点,以及相应的防护机理。论文以桥墩开缝防护为例,采用本文方法进行了数值模拟,阐述了桥墩开缝的冲刷防护机理。


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