呂啟兵,楊 斌,劉明維,李鵬浩

(1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,湖北 武漢 430071;2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶400074;3.溫州港集團(tuán)有限公司,浙江 溫州 325100)

框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)繞流數(shù)值模擬

呂啟兵1,楊 斌2,劉明維2,李鵬浩3

(1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,湖北 武漢 430071;2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶400074;3.溫州港集團(tuán)有限公司,浙江 溫州 325100)

基于FLUENT軟件,針對(duì)不同方柱排列組合進(jìn)行繞流數(shù)值模擬,得到不同間距比時(shí)各方柱水流阻力系數(shù)及三維流場(chǎng)情況,探尋框架墩式結(jié)構(gòu)水流力分布規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明,簡(jiǎn)單的雙方柱串、并聯(lián)時(shí),方柱阻力變化較有規(guī)律;雙排并列三方柱繞流時(shí),第一排方柱阻水作用顯著,處于尖角位置的方柱繞流參數(shù)呈現(xiàn)對(duì)稱現(xiàn)象,各方柱阻力明顯增大,但阻力變化已無(wú)規(guī)律可循;當(dāng)上下橫撐間距為3倍橫撐直徑時(shí),相互間影響已經(jīng)較小;處于上游第一排橫撐的水流阻力系數(shù)與單方柱時(shí)基本相同,第二排橫撐所受水流阻力明顯減小,與水流方向一致的縱撐其水流阻力可忽略不計(jì)。

碼頭;水流力;方柱;阻力系數(shù);數(shù)值模擬

方柱繞流包含豐富的物理現(xiàn)象,如剪切層的轉(zhuǎn)捩,流體與方柱壁面的分離,方柱上渦的周期性脫落,以及尾渦的形成與演變等,并廣泛存在于各種工程實(shí)際中,研究方柱的繞流具有重要的工程實(shí)際意義與應(yīng)用價(jià)值。

三峽水庫(kù)蓄水發(fā)電以后,庫(kù)區(qū)水位發(fā)生巨大變化,在庫(kù)區(qū)河段季節(jié)性暴雨等極端天氣情況下,三峽水庫(kù)上游碼頭將經(jīng)受高水位、大流速的特殊水文條件考驗(yàn),水流作用勢(shì)必會(huì)對(duì)碼頭產(chǎn)生重要影響。以方柱為主要結(jié)構(gòu)型式的框架墩式碼頭,自身設(shè)有多層橫縱聯(lián)系撐,方柱結(jié)構(gòu)體型間相互作用,結(jié)構(gòu)受水流影響復(fù)雜,多層連續(xù)排架碼頭結(jié)構(gòu)所受水流荷載目前仍無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算。

目前,圓柱組合繞流模擬的研究較多[1-3],方柱組合繞流在此類實(shí)際工程中研究相對(duì)較少。A.Agrawal等[4]運(yùn)用LBM算法對(duì)并列雙方柱繞流進(jìn)行模擬,研究了間距比分別為0.7與2.5情況下雙方柱柱后尾流結(jié)構(gòu)特性;唐浩俊等[5]做了串列方形雙塔的風(fēng)荷載及間距比的影響研究,得到間距比為3時(shí),兩柱阻力之和最小,大于3時(shí),可忽略下游柱對(duì)上游柱產(chǎn)生的干擾;陳素琴等[6]采用改進(jìn)的標(biāo)志網(wǎng)格(MAC)方法,對(duì)不同間距下兩串列方柱的氣動(dòng)力及相互干擾特性進(jìn)行了模擬,計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)達(dá)到臨界間距時(shí),兩串列方柱的阻力系數(shù)不再隨間距比的變化而改變。饒勇等[7]對(duì)不同間距下并列雙方柱進(jìn)行繞流數(shù)值模擬,得到相應(yīng)流線圖、方柱升力圖及阻力圖,并對(duì)其進(jìn)行了分析探討。綜上所述,簡(jiǎn)單排列的方柱繞流數(shù)值模擬研究不少,但較復(fù)雜排列的二維三維數(shù)值模擬研究并不多見。

為準(zhǔn)確了解框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)所受水流力問(wèn)題,探究碼頭排架結(jié)構(gòu)所受水流荷載規(guī)律,本文模擬不同方柱排列情況下的相互影響關(guān)系,探究此類碼頭水流荷載計(jì)算問(wèn)題,對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)更加明確的受力分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及降低工程造價(jià)等方面有著重大的實(shí)際意義。

本文基于FLUENT流體計(jì)算軟件,參照某內(nèi)河框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)型式,建立二維與三維計(jì)算模型,逐步從簡(jiǎn)單的兩方柱繞流和多方柱繞流,再到帶橫縱聯(lián)系撐的三維方柱繞流模擬。

1 數(shù)值模型與計(jì)算驗(yàn)證

1.1 控制方程

對(duì)于不可壓縮黏性流體,在直角坐標(biāo)系下,流體的運(yùn)動(dòng)可用Navier-Stokes方程[8]與動(dòng)量方程描述:

模擬計(jì)算采用RNG k-ε模型,該模型是由Yakhot和Orzag提出,模型是從瞬態(tài)N-S方程中推出的,通過(guò)大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的黏度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響,而使這些小尺度運(yùn)動(dòng)有系統(tǒng)地從控制方程中去除,所得到的k方程和ε方程與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型非常相似:

RNG k-ε模型來(lái)源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù),是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的重要改進(jìn)。RNG模型在ε方程中加入了一個(gè)Rε條件,從而反映了主流的時(shí)均應(yīng)變率Eij,這樣該模型中的產(chǎn)生項(xiàng)不僅與流動(dòng)情況有關(guān),而且在同一問(wèn)題中仍然是空間坐標(biāo)的函數(shù),從而可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)[9]。

1.2 二維及三維計(jì)算模型

依據(jù)框架墩式碼頭的樁柱排列形式,設(shè)定不同排列形式下方柱的間距比,串聯(lián)雙方柱時(shí)L/D (D為方柱邊長(zhǎng))=1,2,3,4;并列雙方柱時(shí)L/D= 2,2.5,3;并列三方柱時(shí)L/D=1,2,3,4,雙排并列三方柱時(shí)L/D=1.5,2,2.5,3,L′/D=2,2.5,3,如圖1所示。

圖2為三維單橫撐、雙橫撐以及橫縱撐模型設(shè)置,考慮工程實(shí)際,上下橫撐間距設(shè)置為3d(d為橫撐直徑)。

圖1 二維方柱繞流布置Fig.1 Arrangement of two dimensional flow around square column

圖2 三維帶橫撐方柱繞流布置Fig.2 Arrangement of square column flowing around three-dimensional cross section

1.3 數(shù)值算法

二維計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格經(jīng)對(duì)比試算采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,三維網(wǎng)格運(yùn)用size function減少網(wǎng)格數(shù)。方柱周圍流動(dòng)較復(fù)雜,應(yīng)適當(dāng)網(wǎng)格加密。利用有限體積法(FVM)對(duì)方程進(jìn)行離散,選擇壓力基求解器與壓力二階離散格式,動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率選項(xiàng)全部為二階迎風(fēng)格式,計(jì)算選用RNG k-ε模型、PISO算法,計(jì)算過(guò)程中殘差精度設(shè)定為10-5[10]。

1.4 邊界條件

考慮工程實(shí)際及水流雷諾數(shù),計(jì)算中取邊界進(jìn)口流速U=1 m/s,出口為自由出流,方柱表面為壁面的無(wú)滑移邊界條件。方柱邊長(zhǎng)D=1.5 m,二維方柱距入口邊界10D,上下邊界與方柱距離10D,與出口距離15D。三維模型布置與二維模型基本相同,在保證計(jì)算精度與耗時(shí)前提下,三維模型進(jìn)行了一定調(diào)整。三維情況時(shí)長(zhǎng)方體流域除進(jìn)口、出口與二維基本相同外,其余邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界,橫撐直徑d=0.8D=1.2 m。由于方柱在Re＞1 000時(shí)水流阻力系數(shù)變化較小[11],并且考慮內(nèi)河水流條件、計(jì)算機(jī)能力以及方柱繞流對(duì)雷諾數(shù)的敏感程度等因素,本文設(shè)定Re=UD/υ=22 000[12](U為來(lái)流流速,D為方柱邊長(zhǎng),υ為流體運(yùn)動(dòng)黏度,取0.681 8×10-6m2/s)。

1.5 模型驗(yàn)算

驗(yàn)算以單方柱繞流的3個(gè)重要參數(shù)與相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)比分析。表1給出了本模型驗(yàn)證成果與其他相關(guān)數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。各參數(shù)定義如下:Cd=Fd/(0.5ρu2D),Cl=Fl/(0.5ρu2D),St=fD/u,其中:Fd為繞流阻力;Fl為繞流升力;u為來(lái)流流速;D為方柱邊長(zhǎng);f為渦街脫落頻率,即方柱上渦街的脫落頻率。本文中Cd為平均阻力系數(shù),Cl為升力的最大值。單方柱結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分如圖3所示。

從表1可以看出,本文模擬計(jì)算Re=22 000時(shí),單方柱繞流的平均阻力系數(shù)基本約2.08,升力系數(shù)約1.34,斯特勞哈數(shù)St基本保持0.135不變,與Luo等模擬計(jì)算結(jié)果基本接近,且計(jì)算結(jié)果在Lyn試驗(yàn)的范圍內(nèi);圖4為驗(yàn)證模擬計(jì)算升、阻力系數(shù)曲線,模擬曲線較好符合單方柱繞流特征。驗(yàn)證表明,本計(jì)算模型能較好地模擬方柱的繞流及水力特性,分析方法用于實(shí)際碼頭方柱繞流阻力具有可靠性。

表1 單方柱繞流模擬計(jì)算結(jié)果比較Tab.1 Comparison between simulated results of flow around a single square column

圖3 方柱結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分Fig.3 Structured grid division on a single square column

圖4 單方柱的升、阻力系數(shù)曲線Fig.4 Lift and drag coefficients of a single square column

2 二維方柱繞流計(jì)算成果分析

2.1 串并列方柱的繞流

計(jì)算得到各方柱阻力系數(shù)見表2。結(jié)果顯示,串聯(lián)雙方柱時(shí)上游方柱對(duì)下游方柱遮流影響明顯,上游方柱的阻力基本保持不變,下游方柱的阻力在間距較小時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)值的情況(L/D＞2時(shí),下游方柱阻力才出現(xiàn)正值)。兩方柱并列時(shí),各算例方柱的阻力系數(shù)基本相同,但隨著間距的增大而逐漸減小。并列三方柱的水流阻力大于并列雙方柱時(shí)的情況,表明其阻水作用較并列雙方柱時(shí)有所增大。

表2 串并列雙方柱與并列三方柱阻力系數(shù)Tab.2 Drag coefficients of two square columns in series arranged side by side and three square columns side by side

圖5 二維阻力系數(shù)Fig.5 Two-dimensional drag coefficient

圖5為二維串并列時(shí)的阻力系數(shù),串聯(lián)時(shí),間距的增大對(duì)上游方柱水流力幾乎無(wú)影響,下游方柱水流力逐漸變大,遮流影響效果逐漸減弱;并列時(shí),橫向影響作用隨間距的增加而減小,均趨于單柱時(shí)的情形。

2.2 雙排并列三方柱的繞流

雙排并列三方柱繞流計(jì)算結(jié)果見表3。此時(shí)各方柱的阻力系數(shù)較簡(jiǎn)單串并列時(shí)有一定的增大,尤其是上游第一排處于尖角位置的a方柱與e方柱,在L/D=1.5或2時(shí),出現(xiàn)了阻力系數(shù)大于3的情況,所受水流阻力明顯增大。

由于方柱前后的遮流影響存在,簡(jiǎn)單串、并聯(lián)的遮流影響規(guī)律在此已不再適用。在L′/D=2時(shí)并沒有出現(xiàn)下游方柱水流阻力為負(fù)值的情況,且甚至出現(xiàn)前方柱阻力小于后方柱阻力的情形,如表3中L/D=2.5的c,d方柱與L/D=3時(shí)的a,b與e,f方柱。但在間距較小(如: L/D=1.5與L/D=2)時(shí),遮流影響仍比較明顯。從表中可以看出:a,b與e,f方柱的數(shù)據(jù)基本呈對(duì)稱現(xiàn)象,中間c方柱的阻力相對(duì)邊柱有一定減小,其下游的d方柱阻力系數(shù)在L′/D=2與L′/D=2.5時(shí)變化并不大,只是在L′/D=3有小幅減小。

數(shù)據(jù)顯示,隨著橫向間距的增加,前排三方柱的阻力值趨于接近,但對(duì)于下游并列的b,d與f方柱,其阻力與間距的變化并不一致,已較難觀測(cè)其變化規(guī)律。

由圖6可見,隨著縱向間距的增加,處于上游尖角位置的a與e方柱阻力系數(shù)出現(xiàn)一定的增大,與串聯(lián)兩方柱繞流時(shí)上游方柱阻力幾乎無(wú)變化有一定區(qū)別?？v向間距不變時(shí),橫向間距的增加,在縱向2D圖中各阻力系數(shù)變化無(wú)明顯規(guī)律,在縱向2.5D與3D圖中仍有一定各方柱的水流阻力仍表現(xiàn)出隨間距的增大而減小的趨勢(shì)?？梢园l(fā)現(xiàn),間距仍然是引起多方柱繞流前后壓差變化導(dǎo)致方柱水流力改變的主要因素。

圖6 雙排并列三方柱縱向阻力系數(shù)Fig.6 Lengthways drag coefficient of three square columns of two lines and side by side

總體來(lái)說(shuō),由于雙排并列三方柱的繞流已表現(xiàn)出群樁阻水的現(xiàn)象,與簡(jiǎn)單串、并排列情形相比已顯得較為復(fù)雜,水流阻力并沒有明顯的規(guī)律可循,尤其是下游的方柱,其水流力在流經(jīng)上游方柱水流的相互作用下已很難確定。

表3 雙排并列三方柱阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.3 Drag coefficient calculation results of three square columns of two lines and side by side

3 三維方柱繞流計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 單橫撐的繞流

圖7給出了單橫撐時(shí)橫撐的水流阻力系數(shù)監(jiān)測(cè)曲線,其值基本在2.0附近波動(dòng),此時(shí)與橫撐相連的方柱水流阻力系數(shù)與二維同等間距下的計(jì)算結(jié)果一致,仍為2.4。

圖8為單橫撐時(shí)的流線圖與壓力云圖,壓力較大面為迎水面,柱體后方的背水面壓力較小,與實(shí)際情況相符。從流線圖中可以看出,由于方柱間橫撐的存在,在橫撐后方水流流線顯得較為雜亂無(wú)序,并形成一定的回流區(qū),與二維計(jì)算時(shí)的流線圖有較大區(qū)別,水流流動(dòng)的三維特性明顯。

圖7 單橫撐的水流阻力系數(shù)Fig.7 Drag coefficient of a single cross

圖8 流線圖與壓力云圖(單位:Pa)Fig.8 Streamline chart and stress nephogram(unit:Pa)

3.2 雙橫撐的繞流

圖9為雙橫撐時(shí)上下橫撐的水流阻力系數(shù)監(jiān)測(cè)曲線,由圖可見,兩條曲線非常接近,上下橫撐的水流阻力系數(shù)都基本在2.0左右,與單橫撐時(shí)的水流阻力系數(shù)基本相同,表明一般實(shí)際工程中上下橫撐間距為3d及以上時(shí),相互間影響已經(jīng)較小,此時(shí)橫撐的水流阻力可按2.0的水流阻力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

圖10為雙橫撐流線圖與壓力云圖,方柱后方水流流態(tài)更加紊亂,水流經(jīng)方柱后流動(dòng)更為復(fù)雜,影響程度較單橫撐時(shí)明顯加強(qiáng)。圖11為雙橫撐時(shí)的x方向速度云圖,模型的頂層面與底層面流速分布與二維并列雙方柱繞流時(shí)的流速分布基本相似,逐漸靠近橫撐時(shí)的流速分布改變?cè)矫黠@,由于橫撐的阻擋作用,橫撐后方明顯存在兩個(gè)流動(dòng)較弱的空間區(qū)域。

圖9 上下橫撐阻力系數(shù)變化Fig.9 Drag coefficient of up and down crosses

圖10 流線圖與壓力云圖Fig.10 Streamline chart and stress nephogram

圖11 x方向流速截面云圖(單位:m/s)Fig.11 Velocity section contours of x direction(unit:m/s)

3.3 單層橫縱撐的繞流

圖12為單層橫縱撐時(shí)下游橫撐的水流阻力系數(shù)監(jiān)測(cè)曲線圖,從圖中顯示,由于上游橫撐與方柱的存在,下游橫撐的水流阻力系數(shù)已經(jīng)明顯減小,其阻力系數(shù)穩(wěn)定后基本維持在0.5左右;縱撐的阻力系數(shù)計(jì)算得到約為0.009,因此,在計(jì)算碼頭水流力荷載時(shí),幾乎可不考慮沿水流方向的縱撐水流力。圖13為單層橫縱撐的流線圖與壓力云圖,此時(shí)水流通過(guò)構(gòu)筑物時(shí)流線已雜亂無(wú)章,尤其是在聯(lián)系撐的周圍;方柱后方水流回流明顯。圖14為各方向速度截圖。圖中x方向截面圖顯示,構(gòu)筑物后方仍然存在流速減小區(qū)域,y方向截面圖反映出方柱側(cè)后方流速與流速分布區(qū)間均較大(可達(dá)約1.5 m/s),與二維較為相似,z方向截面圖顯示橫撐上下面的流速較大,流經(jīng)第一排橫撐后流速明顯減小,流經(jīng)第二排橫撐流速進(jìn)一步減小,甚至出現(xiàn)負(fù)值(-0.6 m/s)的流速,此時(shí)構(gòu)筑物外圍流場(chǎng)情況與二維模擬時(shí)同樣基本類似。

圖12 下游橫撐繞流阻力系數(shù)變化Fig.12 Drag coefficient of downstream cross

圖13 流線圖與壓力云圖(單位:Pa)Fig.13 Streamline chart and stress nephogram(unit:Pa)

圖14 各方向流速截面圖(單位:m/s)Fig.14 Velocity section drawing of three directions(unit:m/s)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于FLUENT軟件,針對(duì)不同方柱排列組合進(jìn)行繞流數(shù)值模擬,得到二維串并聯(lián)兩方柱、單排與雙排并列三方柱以及三維帶單、雙層橫撐與單層橫縱撐相關(guān)構(gòu)筑物的阻力系數(shù),并得到相應(yīng)流場(chǎng)的情況。主要結(jié)論如下:

(1)與簡(jiǎn)單排列的方柱繞流對(duì)比發(fā)現(xiàn),多方柱情形時(shí),相互影響已非常復(fù)雜,簡(jiǎn)單地只考慮遮流與橫向影響計(jì)算水流力已顯不足。

(2)庫(kù)區(qū)環(huán)境下方柱間距仍是影響其水流力的主要因素,間距的變化對(duì)其水流力影響較大,多方柱串并聯(lián)時(shí)的方柱水流力已較難預(yù)測(cè)。

(3)在不考慮貼岸條件情況下,類似水流條件的碼頭水流力計(jì)算可參考表3。對(duì)于上游第一排橫撐水流阻力系數(shù)可按2.0考慮,其下游第二排橫撐阻力系數(shù)減小到0.5左右,碼頭中縱撐的水流力可不予考慮。

(4)三維模擬時(shí)尾流的三維特性明顯。方柱側(cè)方或側(cè)后方水流流速均變化較大,橫撐后方均存在回流空間區(qū)域,尾流對(duì)下游柱的干擾作用顯著。

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Numerical simulation of flow around frame dolphin pier structure

LV Qi-bing1,YANG Bin2,LIU Ming-wei2,LI Peng-hao3
(1.CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430071,China;2.School of River&Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;3.Wenzhou Port Group Co.,Ltd., Wenzhou 325100,China)

Based on the FLUENT software,different permutations and combinations of square cylinders are used to simulate the flow around frame dolphin pier structure,and get the resistance coefficients and the three dimensional flow field of each square column with different spacing ratios,and explore the law of the flow force distribution on the structure.The calculation results show that the square column resistance changes regularly in series and tied for simply two columns.When two rows of three square columns are used,the first row of the square columns blocks the water remarkably.The parameters of the flow around the square columns in the sharp corners position are symmetric,the resistance of each square column increases obviously,but haphazard.When the fluctuation cross arm spacing is 3 d,it has a little effect on each other.The resistance coefficient of lateral cross arm is basically the same in the first row at the upstream,and the flow resistance of lateral cross arm of the second row decreases obviously.The flow resistance of the vertical support can be neglected.The flow resistance of the vertical cross arm can be ignored with the flow in the same direction.

wharf;flow force;square column;drag coefficient;numerical simulation

TV135.6;U656.1+22

A

1009-640X(2014)06-0022-08

2014-05-20

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAB05B00)

呂啟兵(1986-),男,重慶人,碩士研究生,主要從事港口海岸工程結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)方面的研究。E-mail:lvqb1986@163.com