房世龍，陳 紅，施小飛

(1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，江蘇 南通 226010；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院, 南京 210098 )

淹沒(méi)垂直圓柱周圍水流結(jié)構(gòu)及紊流特性試驗(yàn)研究

房世龍1，陳 紅2，施小飛1

(1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，江蘇 南通 226010；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院, 南京 210098 )

淹沒(méi)垂直圓柱雖在各工程領(lǐng)域中均有廣泛的實(shí)際應(yīng)用，但還沒(méi)有關(guān)于其繞流場(chǎng)內(nèi)水流結(jié)構(gòu)及紊流特性的系統(tǒng)研究。通過(guò)室內(nèi)變坡水槽試驗(yàn)對(duì)淹沒(méi)垂直圓柱周圍的瞬時(shí)流速場(chǎng)進(jìn)行了精細(xì)測(cè)量，分析了淹沒(méi)率對(duì)垂直圓柱上下游豎直對(duì)稱面內(nèi)三維流速、紊動(dòng)強(qiáng)度等水力參數(shù)垂線分布的影響程度，研究了向下水流、馬蹄形旋渦和尾流旋渦等典型水流結(jié)構(gòu)的沖刷力隨淹沒(méi)率的變化規(guī)律，揭示了淹沒(méi)率影響垂直圓柱周圍清水局部沖刷的機(jī)理。研究結(jié)果表明：增大淹沒(méi)率能夠減小垂直圓柱出露于水體中的有效長(zhǎng)度，使得垂直圓柱對(duì)水體的阻流和擾動(dòng)作用減弱，也使得垂直圓柱上游迎水面處向下水流、柱周馬蹄形旋渦和下游尾流旋渦的沖刷能力被有效削弱，降低了垂直圓柱周圍床面泥沙被旋渦體系卷起后順?biāo)魇У母怕省?/p>

淹沒(méi)垂直圓柱；水流結(jié)構(gòu)；紊流特性；沖刷機(jī)理；淹沒(méi)率

1 研究背景

垂直圓柱的出現(xiàn)會(huì)對(duì)水流產(chǎn)生干擾，由此引起的復(fù)雜旋渦體系、三維邊界層分離和高強(qiáng)度水體紊動(dòng)也會(huì)造成垂直圓柱周圍床面的局部沖刷，局部沖刷不僅會(huì)導(dǎo)致垂直圓柱自身的失穩(wěn)和水毀，也會(huì)危及垂直圓柱所支撐的水上結(jié)構(gòu)工程的安全[1-3]。垂直圓柱可分為淹沒(méi)式和非淹沒(méi)式2類。非淹沒(méi)式垂直圓柱一直是橋梁墩臺(tái)、碼頭樁基等的主要形式。對(duì)非淹沒(méi)式的單圓柱、雙圓柱、三圓柱及不同間隙比情況下圓柱周圍水流結(jié)構(gòu)及紊流特性的研究已十分深入[4-7]。但對(duì)于被作為水下沉箱、消能措施、重力式錨碇、鉆井平臺(tái)基礎(chǔ)等水下淹沒(méi)結(jié)構(gòu)，且在各個(gè)工程領(lǐng)域中均有廣泛實(shí)際應(yīng)用的淹沒(méi)式垂直圓柱及其繞流的研究較少。截至目前，已有的關(guān)于淹沒(méi)式垂直圓柱繞流特性的研究只限于淹沒(méi)率影響垂直圓柱周圍最大沖刷深度、淹沒(méi)垂直圓柱上下游流速矢量分布特點(diǎn)、圓柱體周圍床面剪切應(yīng)力分布規(guī)律、淹沒(méi)垂直圓柱周圍馬蹄形旋渦幾何特征等[8-11]，還沒(méi)有通過(guò)繞流場(chǎng)內(nèi)水流結(jié)構(gòu)及紊流特性的定量系統(tǒng)研究成果，如揭示不同淹沒(méi)率時(shí)淹沒(méi)垂直圓柱局部沖刷機(jī)理的研究等。因此，本文通過(guò)室內(nèi)變坡水槽試驗(yàn)對(duì)淹沒(méi)垂直圓柱周圍的瞬時(shí)流速場(chǎng)進(jìn)行了精細(xì)測(cè)量，分析了淹沒(méi)率對(duì)垂直圓柱上下游豎直對(duì)稱面內(nèi)三維流速、紊動(dòng)強(qiáng)度等水力參數(shù)垂線分布的影響程度，研究了向下水流、馬蹄形旋渦和尾流旋渦等典型水流結(jié)構(gòu)的沖刷力隨淹沒(méi)率的變化規(guī)律，揭示了淹沒(méi)率影響垂直圓柱周圍清水局部沖刷的機(jī)理。

2 清水沖刷試驗(yàn)

淹沒(méi)垂直圓柱周圍水流結(jié)構(gòu)及紊流特性試驗(yàn)在矩形斷面自循環(huán)變坡水槽上進(jìn)行，如圖1所示。試驗(yàn)水槽長(zhǎng)16 m，寬80 cm，深90 cm，試驗(yàn)段底部及兩側(cè)均為玻璃壁面，底坡坡比可在0～1.5%之間變化，水槽邊壁支撐的一對(duì)導(dǎo)軌上安裝有儀器承臺(tái)，能允許量測(cè)設(shè)備沿水槽縱向移動(dòng)。為了抑制因回水產(chǎn)生的渦流并矯直水流流向，水槽入口處安裝了蜂窩狀的平水格柵。水槽進(jìn)口流量由閥門(mén)調(diào)節(jié)并通過(guò)超聲波多普勒流量計(jì)測(cè)量，槽內(nèi)水位通過(guò)水槽下游端的尾門(mén)控制，淹沒(méi)垂直圓柱周圍沖淤地形及槽內(nèi)水深由測(cè)量精度為0.1 mm的水位測(cè)針讀取，淹沒(méi)垂直圓柱周圍的瞬時(shí)流速場(chǎng)通過(guò)超聲波多普勒流速儀測(cè)量。試驗(yàn)選用橫截面形狀為圓形的有機(jī)玻璃管模擬淹沒(méi)垂直圓柱，模型淹沒(méi)垂直圓柱直徑D為8 cm，淹沒(méi)率S=(H∞-Hp)/H∞，其中H∞為墩前行近水深，Hp為原始床面以上在水體中的垂直圓柱高度。垂直圓柱被固定在平面形狀為矩形的沙坑中心位置處的水槽底面上，距離水槽入口為9 m。被作為有效試驗(yàn)段的沙坑長(zhǎng)度為200 cm，寬度為80 cm，深度為20 cm，上游邊緣至水槽入口距離為8 m，沙坑的上游和下游均鋪設(shè)了厚度為20 cm的灰塑板制成的假底，假底上鋪設(shè)了厚度為5 cm的模型沙，沙坑也用模型沙填充至與假底上的床沙面平齊。試驗(yàn)選用天然無(wú)黏性均勻細(xì)沙作為模型沙，模型沙中值粒徑d50為0.53 mm，密度為2.65 g/cm3，不均勻系數(shù)σg為1.2。

圖1 試驗(yàn)布置示意圖Fig.1 Arrangement of the experiment

圖2 不同淹沒(méi)率下垂直圓柱體周圍沖淤地形Fig.2 Silt and scour around vertical cylinder under different submergence rates

試驗(yàn)采用順?biāo)飨驗(yàn)閤軸方向，橫向?yàn)閥軸方向，鉛直向上為z軸方向，坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)應(yīng)著淹沒(méi)垂直圓柱橫截面形心位置，高度位于未沖刷時(shí)的水沙交界處。試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中的墩前行近流速U∞為29.3 cm/s，行近水深H∞為24.0 cm，來(lái)流剪切流速u*,∞為1.66 cm/s，模型沙起動(dòng)流速Uc為30.8 cm/s，本文所有組次的試驗(yàn)均是在清水沖刷條件下開(kāi)展的，試驗(yàn)過(guò)程中始終保持相對(duì)流速U∞/Uc為0.95，相對(duì)水深H∞/D為3.0。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 淹沒(méi)率對(duì)垂直圓柱周圍沖刷深度的影響

為對(duì)比分析淹沒(méi)率對(duì)垂直圓柱周圍沖刷深度的影響，給出相同水流條件下平衡沖刷狀態(tài)時(shí)淹沒(méi)率S分別為0.0,0.5和0.75這3種工況下的垂直圓柱體周圍的沖淤地形，見(jiàn)圖2。

垂直圓柱頂面高程≥水面高程時(shí)，垂直圓柱處于非淹沒(méi)狀態(tài)，淹沒(méi)率為0，此工況下垂直圓柱相對(duì)于自身直徑的最大清水沖刷深度和沖刷范圍分別為1.95和2.26。淹沒(méi)率取為0.5時(shí)，垂直圓柱頂面位于水體中，裸露于原始床沙面以上水體中的圓柱體垂直長(zhǎng)度為行近水深的一半，此時(shí)垂直圓柱相對(duì)于自身直徑的最大清水沖刷深度和沖刷范圍分別為1.27和1.64。淹沒(méi)率取為0.75時(shí)，垂直圓柱頂面位于自由水面以下0.75倍行近水深處，此時(shí)垂直圓柱相對(duì)于自身直徑的最大清水沖刷深度和沖刷范圍分別為1.01和1.12。對(duì)比相同水流條件下不同淹沒(méi)率時(shí)垂直圓柱周圍的典型沖淤地形數(shù)據(jù)可知，淹沒(méi)率為0.5時(shí)垂直圓柱周圍的最大沖刷深度較淹沒(méi)率為0.0(非淹沒(méi))時(shí)縮減了34.8%，最大沖刷范圍縮減了27.4%，淹沒(méi)率為0.75時(shí)垂直圓柱周圍的最大沖刷深度較淹沒(méi)率為0.0(非淹沒(méi))時(shí)縮減了48.2%，最大沖刷范圍縮減了50.4%。由此可見(jiàn)，隨著淹沒(méi)率的增加，垂直圓柱周圍的最大沖刷深度和沖刷范圍都明顯減小。為了減少?zèng)_刷對(duì)水下沉箱、鉆井平臺(tái)基礎(chǔ)等淹沒(méi)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的危害，也為了避免由于防護(hù)淹沒(méi)結(jié)構(gòu)局部沖刷造成的較大工程投入，淹沒(méi)結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡可能采用較大的淹沒(méi)率。

3.2 淹沒(méi)率對(duì)垂直圓柱上游水流結(jié)構(gòu)的影響

為了對(duì)比分析淹沒(méi)率對(duì)垂直圓柱上游水流結(jié)構(gòu)的影響，將相同水流條件下清水沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)不同淹沒(méi)率垂直圓柱上游豎直對(duì)稱面內(nèi)的縱向(x方向)和鉛直方向(z方向)流速分布繪制于圖3，圖中縱坐標(biāo)為測(cè)流垂線上不同測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置,u為縱向流速，即順?biāo)鞣较蛄魉?，w為鉛直向流速，即垂向流速。對(duì)比垂直圓柱上游縱向流速分布可知，淹沒(méi)率的改變使得圓柱上游豎直對(duì)稱面內(nèi)各測(cè)流垂線上的縱向流速分布產(chǎn)生了很明顯的重新調(diào)整，垂直圓柱上游水域沿水深方向被劃分為2個(gè)區(qū)域，這與S. Dey等[8]繪制的淹沒(méi)垂直圓柱上游豎直對(duì)稱面內(nèi)縱向流速矢量分布規(guī)律較為一致。在z/Hp≥-0.1的區(qū)域內(nèi)，隨著水深的增加不同測(cè)流垂線上的縱向流速均增大，而同一測(cè)流垂線上相同位置處的縱向流速隨著淹沒(méi)率的增大而增大。在z/Hp<-0.1區(qū)域內(nèi)，各流速測(cè)量點(diǎn)均位于垂直圓柱周圍沖刷坑內(nèi)，測(cè)流垂線上相同位置處的縱向流速會(huì)隨著淹沒(méi)率的增大而減小。垂直圓柱淹沒(méi)率為S=0.5和S=0.75時(shí)，沖刷坑內(nèi)近床面各位置處的逆向流速的削減率最大，較淹沒(méi)率為S=0.0時(shí)平均削減了40.4%和61.2%。綜合上述分析可知，隨著淹沒(méi)率的增大，裸露于床面以上水體中的圓柱體的垂直長(zhǎng)度減小，垂直圓柱對(duì)行近水流的阻礙作用減弱，從而使較大的縱向流速被調(diào)整到遠(yuǎn)離圓柱體周圍床面的水域中去，近床面各位置處的縱向流速明顯減小。近底縱向流速是馬蹄形旋渦強(qiáng)度的表征，淹沒(méi)率增大造成的近底流速值的減小也大大降低了垂直圓柱上游馬蹄形旋渦的強(qiáng)度，從而削弱了床面附近水流挾帶泥沙造成局部沖刷的能力。

圖3 垂直圓柱上游縱向和鉛直方向流速分布Fig.3 Longitudinal and vertical velocity distribution in the upstream of vertical cylinder

淹沒(méi)率對(duì)垂直圓柱上游垂向流速分布也有較大影響。在床面以上區(qū)域內(nèi)，各測(cè)流垂線上的鉛直向流速均為負(fù)值，表明無(wú)論淹沒(méi)率為何值時(shí)垂直圓柱上游均有不同強(qiáng)度的向下水流出現(xiàn)，向下水流流速值均隨水深的減小而增大，而且在原始床面附近達(dá)到極值。但逐漸增大淹沒(méi)率后垂直圓柱上游各測(cè)流垂線相同位置處的垂線流速明顯減小，向下水流的強(qiáng)度變小，向下水流對(duì)垂直圓柱周圍局部沖刷的能力也隨之減弱。在床面以下區(qū)域內(nèi)，不同淹沒(méi)率時(shí)各測(cè)流垂線上的鉛直向流速均隨水深的減小而減小，并在沖刷坑底部床面附近具有極小值，而且隨著淹沒(méi)率的增加垂直圓柱上游相同位置處的鉛直向流速均有較大程度地減小，與淹沒(méi)率為S=0.0時(shí)垂直圓柱上游鉛直向流速值相比，淹沒(méi)率為S=0.5和S=0.75時(shí)垂直圓柱上游的鉛直向流速值最大可被削減31.3%和43.7%。淹沒(méi)率對(duì)垂直圓柱上游鉛直向流速分布的影響規(guī)律較為符合S. Dey等[8]的研究結(jié)果。既然鉛直向流速是垂直圓柱上游向下水流強(qiáng)度的表征，而向下水流又是引起和維持垂直圓柱周圍局部沖刷的主要因素[12-16]，所以增大垂直圓柱淹沒(méi)率就能有效削減向下水流的沖刷力，也使得垂直圓柱周圍馬蹄形旋渦的發(fā)展受到限制，垂直圓柱周圍床面得到了有效地保護(hù)，因而局部沖刷深度最大能被削減48.2%。

圖4 垂直圓柱下游縱向和鉛直方向流速分布Fig.4 Longitudinal and vertical velocity distribution in the downstream of vertical cylinder

3.3 淹沒(méi)率對(duì)垂直圓柱下游水流結(jié)構(gòu)的影響

相同水流條件下清水沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)不同淹沒(méi)率垂直圓柱下游豎直對(duì)稱面內(nèi)的縱向(x方向)和鉛直向(z方向)流速分布如圖4所示。由縱向流速分布圖可知，無(wú)論淹沒(méi)率為何值時(shí)隨著水深的增加，垂直圓柱下游豎直對(duì)稱面內(nèi)各測(cè)流垂線上的縱向流速值均先增大而后減小，在垂直圓柱下游靠近柱體附近水域內(nèi)有逆向水流出現(xiàn)，這都是圓柱擾流后下游尾流旋渦生成和發(fā)展的主要表征。對(duì)比不同淹沒(méi)率時(shí)垂直圓柱下游的縱向流速分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，垂直圓柱淹沒(méi)率增大，原始床面以上水域內(nèi)縱向流速值均有不同程度地增加，而原始床面以下縱向流速值則均有不同程度地減小，淹沒(méi)率為S=0.5和S=0.75時(shí)的縱向流速較淹沒(méi)率為S=0.0時(shí)的縱向流速的最大削減率分別可達(dá)41.1%和66.2%。

由鉛直向流速分布圖可知，不同淹沒(méi)率時(shí)垂直圓柱下游豎直對(duì)稱面內(nèi)各測(cè)流垂線上的鉛直向流速值均隨水深的減小而增加，并在0≤z/Hp≤0.4范圍水域內(nèi)先后達(dá)到極大值以后又逐漸減小，各測(cè)流垂線在近床面附近均具有極小值。對(duì)比不同淹沒(méi)率時(shí)垂直圓柱下游的豎直向流速分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)水深范圍內(nèi)淹沒(méi)率增加豎直向流速值就減小，垂向流速的削減程度取決于淹沒(méi)率的增加量。綜合上述分析可知，增大淹沒(méi)率可以使得垂直圓柱下游原始床面附近水流的流速有較為明顯的減小，進(jìn)而使垂直圓柱下游水流結(jié)構(gòu)的水力特性發(fā)生改變，也使得對(duì)垂直圓柱周圍局部沖刷發(fā)展起重要作用的尾流旋渦遠(yuǎn)離原始河床面，抑制了尾流旋渦卷?yè)P(yáng)并向下游輸送泥沙的能力，這與S. Dey等[8]的研究結(jié)果一致。

圖5 垂直圓柱上游3個(gè)方向紊動(dòng)強(qiáng)度分布Fig.5 Longitudinal, transverse and vertical distributions of turbulence intensity in the upstream of vertical cylinder

3.4 淹沒(méi)率對(duì)垂直圓柱上游紊流特性的影響

相同水流條件下清水沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)不同淹沒(méi)率垂直圓柱上游豎直對(duì)稱面內(nèi)的縱向(x方向)、橫向(y方向)和鉛直方向(z方向)的紊動(dòng)強(qiáng)度分布變化如圖5所示。由垂直圓柱上游各個(gè)測(cè)流垂線縱向、橫向和鉛直方向上的紊動(dòng)強(qiáng)度分布圖可知，不論淹沒(méi)率為何值時(shí)垂直圓柱上游原始床面以上3個(gè)方向的紊動(dòng)強(qiáng)度值均隨相對(duì)水深的減小而幾乎線性增加，并在原始床面附近具有極大值。而在原始床面以下垂直圓柱上游各測(cè)流垂線上不同方向的紊動(dòng)強(qiáng)度值均隨水深的減小而減小，并在床面附近具有極小值。由于垂直圓柱上游沖刷坑深度較大，馬蹄形旋渦位于沖刷坑內(nèi)，故各個(gè)方向的紊動(dòng)強(qiáng)度值幾乎均出現(xiàn)在z/Hp為-0.4的床面附近。比較各測(cè)流垂線上相同位置處3個(gè)方向的紊動(dòng)強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，縱向紊動(dòng)強(qiáng)度要稍大于其他2個(gè)方向的紊動(dòng)強(qiáng)度值，鉛直方向的紊動(dòng)強(qiáng)度值最小。對(duì)比不同淹沒(méi)率時(shí)垂直圓柱上游各個(gè)方向紊動(dòng)強(qiáng)度的分布規(guī)律可知，隨著垂直圓柱淹沒(méi)率的增加，出露于水體中的垂直圓柱長(zhǎng)度減小，垂直圓柱體對(duì)水體的擾動(dòng)作用減弱，床面至垂直圓柱頂面水深范圍內(nèi)水體的縱向、橫向和鉛直方向的紊動(dòng)強(qiáng)度也隨之有不同程度地降低。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明S=0.5和S=0.75的淹沒(méi)率能使垂直圓柱上游各測(cè)流垂線近床面位置處的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度、橫向紊動(dòng)強(qiáng)度和鉛直方向紊動(dòng)強(qiáng)度分別平均被削減了11.1%,16.8%和20.4%，這使得紊動(dòng)強(qiáng)度在近床面位置處具有極小值，無(wú)疑會(huì)有效降低床面附近水流的沖刷能力。通過(guò)對(duì)比分析不同淹沒(méi)率垂直圓柱上游3個(gè)方向上紊動(dòng)強(qiáng)度的分布規(guī)律可知，淹沒(méi)率增加能夠有效削減床面附近各位置處水流的縱向、橫向和鉛直方向的水體紊動(dòng)能量，從而抑制了垂直圓柱上游馬蹄形旋渦、向下水流的發(fā)展，也削弱了這2種水流結(jié)構(gòu)對(duì)床面的沖刷作用，因此使得平衡沖刷狀態(tài)下的最大沖刷深度和沖刷范圍明顯減小。

3.5 淹沒(méi)率對(duì)垂直圓柱下游紊流特性的影響

相同水流條件下清水沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)不同淹沒(méi)率垂直圓柱下游豎直對(duì)稱面內(nèi)的縱向(x方向)、橫向(y方向)和鉛直方向(z方向)的紊動(dòng)強(qiáng)度分布變化如圖6所示。

圖6 垂直圓柱下游3個(gè)方向紊動(dòng)強(qiáng)度分布Fig.6 Longitudinal, transverse and vertical distributions of turbulence intensity in the downstream of vertical cylinder

由垂直圓柱體下游豎直對(duì)稱面內(nèi)各測(cè)流垂線上3個(gè)方向紊動(dòng)強(qiáng)度分布規(guī)律可知，不論淹沒(méi)率如何變化，垂直圓柱下游原始床面以上水體的縱向和橫向紊動(dòng)強(qiáng)度均隨相對(duì)水深的減小，且呈線性增加趨勢(shì)，在原始床面附近具有極大值。而在原始床面以下水域內(nèi)，垂直圓柱上游各測(cè)流垂線上縱向和橫向紊動(dòng)強(qiáng)度均隨水深的減小而減小，并在床面附近具有極小值。與縱向和橫向紊動(dòng)強(qiáng)度分布特點(diǎn)不同，垂直圓柱下游鉛直方向紊動(dòng)強(qiáng)度均隨水深的增加先增加而后減小，并在相對(duì)水深為[0.4，0.7]的區(qū)域內(nèi)分別達(dá)到極大值，這是尾流旋渦卷?yè)P(yáng)泥沙使其在垂直圓柱下游很遠(yuǎn)處落淤主要原因。對(duì)比不同淹沒(méi)率時(shí)垂直圓柱下游各個(gè)測(cè)流垂線縱向、橫向和鉛直方向上的紊動(dòng)強(qiáng)度分布可知，隨著垂直圓柱淹沒(méi)率的增加，垂直圓柱出露于水體中的長(zhǎng)度逐漸減小，床面附近水體受到垂直圓柱自身的擾動(dòng)作用也逐步減弱，水體紊動(dòng)強(qiáng)度值也顯著減小，故而有效降低了床面附近水流的沖刷能力。通過(guò)不同淹沒(méi)率時(shí)垂直圓柱上游縱向、橫向和鉛直方向紊動(dòng)強(qiáng)度分布規(guī)律的對(duì)比分析可知，增加垂直圓柱淹沒(méi)率能夠使得床面附近各位置處水流的縱向、橫向和鉛直方向的水體紊動(dòng)能量顯著減小，抑制了垂直圓柱下游尾流旋渦的沖刷能力，從而有效降低了垂直圓柱下游床面泥沙被尾流旋渦卷起后順?biāo)魇У母怕省?/p>

4 結(jié) 論

本文通過(guò)室內(nèi)變坡水槽試驗(yàn)對(duì)淹沒(méi)垂直圓柱周圍水流結(jié)構(gòu)及紊流特性進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：

(1) 增大淹沒(méi)率能夠減小垂直圓柱出露于水體中的有效長(zhǎng)度，垂直圓柱對(duì)水體的阻流和擾動(dòng)作用減弱，致使淹沒(méi)率為0.5和0.75較淹沒(méi)率為0.0(非淹沒(méi))時(shí)，垂直圓柱周圍的最大沖刷深度分別縮減了34.8%和48.2%，最大沖刷范圍縮減了27.4%和50.4%。

(2) 垂直圓柱上游逆向流速的最大削減率為40.4%和61.2%，鉛直向流速值最大可被削減31.3%和43.7%。垂直圓柱下游縱向流速的最大削減率分別可達(dá)41.1%和66.2%。

(3) 垂直圓柱上游縱向紊動(dòng)強(qiáng)度、橫向紊動(dòng)強(qiáng)度和鉛直方向紊動(dòng)強(qiáng)度分別平均被削減了11.1%,16.8%和20.4%，也使得垂直圓柱上游迎水面處向下水流、柱周馬蹄形旋渦和下游尾流旋渦的沖刷能力被有效削弱，降低了垂直圓柱周圍床面泥沙被旋渦體系卷起后順?biāo)魇У母怕省?/p>

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(編輯：占學(xué)軍)

Flow Patterns and Turbulence Characteristics Arounda Submerged Vertical Circular Cylinder

FANG Shi-long1, CHEN Hong2，SHI Xiao-fei1

(1.Department of Transportation Engineering, Nantong Shipping College, Nantong 226010, China; 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098,China)

Although submerged vertical circular cylinders have been widely applied in engineering fields, there are no systematic study on the flow pattern and turbulence characteristics in the flow field around the submerged vertical circular cylinders.In view of this,we carried out indoor flume experiment with different slopes and accurately measured the instantaneous velocity field around the submerged vertical circular cylinders. According to the test result, we analyzed the impact of the submergence ratio on the vertical distribution of three-dimensional flow velocity and turbulence intensity along upstream and downstream vertical symmetry plane of the submerged vertical circular cylinders.On this basis, we researched the variations of scour strength of downstream flow, horseshoe vortex and tail flow vortex with submergence ratio, and revealed the mechanism of submergence ratio affecting local scour by clear water around the submerged vertical circular cylinders. Research results show that 1) increasing submergence ratio could reduce the effective length of vertical circular cylinder above water surface and weaken the resistant flow and disturbance of the cylinder on water; 2) the scour capacity of downward flow in the upstream of cylinder, horseshoe vortex around the cylinder, and tail flow vortex obviously decreases, which reduces the probability of sediment around vertical circular cylinder being eroded by vortex.

submerged vertical circular cylinder; flow pattern; turbulence characteristics; scour mechanism; submergence ratio

2015-11-24；

2016-02-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309083);重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)(2011YQ070055);交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2013329284210)；南通市社會(huì)事業(yè)科技創(chuàng)新與示范計(jì)劃(HS2014017)

房世龍(1978-),男,黑龍江樺南人,副教授,博士,主要從事港口航道及海岸工程、河流泥沙工程、海洋工程等方向的研究工作,(電話)0513-85965512(電子信箱)fangsl3000@163.com。

10.11988/ckyyb.20150991

2016,33(12):55-60

TV147.5

A

1001-5485(2016)12-0055-06