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        串列雙圓柱橋墩周圍流場(chǎng)特性研究

        2019-11-11 03:22:08葉玉康劉曉平李安斌
        人民珠江 2019年10期
        關(guān)鍵詞:尾渦觀測(cè)點(diǎn)橋墩

        葉玉康,劉曉平,李安斌

        (1.寧德市三都澳新區(qū)開發(fā)建設(shè)有限公司,福建 寧德 352100;2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

        近年來(lái),受通航河流河道條件、橋岸接線位置、征地拆遷等客觀條件制約,橋位資源相對(duì)匱乏,公路、鐵路橋緊鄰并建現(xiàn)象較為普遍,如重慶長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋、太湖大橋復(fù)線橋、長(zhǎng)株潭城際鐵路湘潭湘江特大橋等?,F(xiàn)行GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[1]規(guī)定:兩緊鄰并建橋梁所處通航水域無(wú)礙航水流時(shí),其邊緣距離應(yīng)小于50 m,且通航孔必須相互對(duì)應(yīng)。這樣橋區(qū)水域便出現(xiàn)近距離串列布置多個(gè)橋墩的情況,產(chǎn)生“巷道效應(yīng)”,影響通航安全[2]。橋墩周圍局部水力繞流是影響橋區(qū)過(guò)往船舶航行安全的重要因素之一,為界定該不安全航行區(qū)域范圍,許多學(xué)者對(duì)橋墩紊流寬度開展了大量研究,但主要以單橋墩為研究對(duì)象[3]。2個(gè)及更多墩柱近距離布置時(shí),上下游墩柱間水動(dòng)力將發(fā)生相互作用,墩柱周圍的紊動(dòng)流場(chǎng)特性與墩柱間距密切相關(guān)[4-5]。

        由于渦體存在,橋墩墩周水流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,非定常特性顯著。長(zhǎng)期以來(lái)有不少學(xué)者采用ADV(聲學(xué)多普勒測(cè)速儀)單點(diǎn)測(cè)量繞流流場(chǎng)[6-7]或PIV(粒子圖像測(cè)速)進(jìn)行橋墩周圍局部二維流場(chǎng)測(cè)量[8-9],但都很難準(zhǔn)確地反映繞流特性。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展,使用黏性流求解方法進(jìn)行橋墩繞流數(shù)值模擬,能夠消除眾多干擾因素,很好地捕捉流場(chǎng)細(xì)節(jié),且高效方便。因此,本文以串列橋墩為研究對(duì)象,采用FLUENT軟件并基于RNGk-ε湍流模型對(duì)單圓柱及串列圓柱橋墩繞流非穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,研究串列橋墩周圍的紊動(dòng)流場(chǎng)特性,以期對(duì)復(fù)線橋梁的橋墩布置、船舶安全通航提供參考。

        1 模型的建立及驗(yàn)證

        1.1 模型尺寸

        計(jì)算域要足以捕捉圓柱繞流尾渦脫落運(yùn)動(dòng),進(jìn)出口與圓柱的距離需能夠消除遠(yuǎn)場(chǎng)邊界對(duì)圓柱上下游流體流動(dòng)的影響,兩側(cè)壁面邊界對(duì)圓柱繞流無(wú)影響,流動(dòng)為均勻流[10-11]。本次數(shù)值模擬計(jì)算域取40D× 20D,橋墩位于計(jì)算域水平中線上,計(jì)算域進(jìn)口距上游橋墩中心10D,出口距上游橋墩30D,左右邊界距橋墩10D,上下游橋墩中心間距為L(zhǎng),其中D為橋墩直徑。

        1.2 控制方程

        RNGk-ε模型是一種基于重整化群(Renormalization Group-RNG)方法建立的湍流模型,對(duì)處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)有著極大優(yōu)勢(shì),適合橋墩繞流數(shù)值模擬[12]。本文數(shù)值計(jì)算除滿足連續(xù)性方程和N-S方程外,還需滿足RNGk-ε模型湍流動(dòng)能k和湍流耗散量ε的運(yùn)輸方程。

        (1)

        (2)

        Gk-ρε

        (3)

        (4)

        1.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

        為準(zhǔn)確捕捉流場(chǎng)細(xì)節(jié),本文對(duì)橋墩近壁及流場(chǎng)尾跡部分網(wǎng)格進(jìn)行加密,保證網(wǎng)格尺寸小于漩渦尺寸,對(duì)其他區(qū)域則進(jìn)行粗化處理。同時(shí),橋墩近壁區(qū)湍流流動(dòng)受壁面影響極大,本次模擬采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法求解橋墩近壁面區(qū)內(nèi)的流動(dòng),網(wǎng)格劃分時(shí)把第一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)布置在湍流核心區(qū)內(nèi)。整個(gè)計(jì)算域劃分為二維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,橋墩周圍采用O型網(wǎng)格,網(wǎng)格見圖1、2。本模型入口邊界條件設(shè)置為速度入口,出口為壓力出口,兩側(cè)邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界,橋墩表面選取為無(wú)滑移固壁。

        圖1 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

        圖2 橋墩網(wǎng)格細(xì)部

        1.4 模型驗(yàn)證

        1.4.1繞流水力特性驗(yàn)證

        將L/D=4.0計(jì)算結(jié)果中的阻力系數(shù)Cd及St數(shù)與亞臨界雷諾數(shù)下串列圓柱繞流文獻(xiàn)資料中的試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算成果比較(表1)發(fā)現(xiàn),本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果與參考文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)吻合較好。

        表1 亞臨界雷諾數(shù)圓柱繞流計(jì)算結(jié)果對(duì)比(L/D=4.0)

        注:表中Cd為柱體阻力系數(shù)的平均值,腳標(biāo)1表示上游橋墩,2為下游橋墩

        1.4.2繞流流場(chǎng)特性驗(yàn)證

        對(duì)比任啟明[15]PIV物理模型試驗(yàn)觀測(cè)的墩后尾流流場(chǎng)(圖3a)與數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果(圖3b)發(fā)現(xiàn),在L/D=4.0間距下,兩者的上下游橋墩均有渦體脫落,渦體位置、大小分布規(guī)律相似,上游圓柱分離剪切層在下游圓柱重附位置基本相同,數(shù)值計(jì)算流場(chǎng)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果吻合較好。

        a) PIV物理模型試驗(yàn)

        b) 數(shù)學(xué)模型計(jì)算圖3 串列橋墩繞流流場(chǎng)(L/D=4.0)

        綜上所述,本次數(shù)值計(jì)算得到了合理數(shù)值解,數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格劃分與數(shù)值方法能夠滿足數(shù)值計(jì)算要求。

        2 計(jì)算結(jié)果分析

        2.1 計(jì)算工況

        橋墩模型以直徑為5 m圓柱橋墩為原型,參照山區(qū)內(nèi)河通航河流汛期通航流速范圍,選擇墩前行進(jìn)流速為2 m/s,對(duì)應(yīng)Re=3.16×104。分別計(jì)算單橋墩與L/D=2.0、3.0、4.0、5.0時(shí)5種工況,分析不同橋墩間距下的橋墩周圍流場(chǎng)特性。

        2.2 橋墩周圍渦體分布

        串列雙圓柱橋墩尾流運(yùn)動(dòng)較單圓柱橋墩復(fù)雜,與兩橋墩間距密切相關(guān)。下文選取幾個(gè)典型橋墩間距渦量分布進(jìn)行分析(圖4)。由圖4可知,在L/D=2.0時(shí),與單橋墩相似,渦體只在下游橋墩形成。上游橋墩一側(cè)剪切層(標(biāo)識(shí)為SL1)分離并重附在下游橋墩剪切層上,另一側(cè)剪切層(SL2)混參至下游橋墩尾渦中。尾渦沿橫向分布范圍較單橋墩有所增大。當(dāng)L/D≥3.0后,上游橋墩剪切層不再重附在下游橋墩上,兩橋墩墩后皆形成渦街,在上游橋墩尾渦沖擊下,下游橋墩尾流變得不穩(wěn)定。

        a) 單橋墩

        b) L/D=2.0圖4 不同L/D串列橋墩渦量等值線分布

        c) L/D=3.0

        d) L/D=4.0

        e) L/D=5.0續(xù)圖4 不同L/D串列橋墩渦量等值線分布

        2.3 橋墩周圍橫向流速分布

        水流遇橋墩后,在橋墩前方形成駐流,而后向兩側(cè)分離,在墩后形成匯流,這樣橋墩周圍便有斜流存在。定義墩周沿航道法線方向分解的流速為橫向流速,圖5給出了單橋墩及串列橋墩(L/D=3.0、5.0)周圍橫向流速等值線分布。由圖可知,由于墩后尾渦周期性交替脫落,橫向流速沿水流方向呈現(xiàn)正負(fù)交替分布規(guī)律。在橋區(qū),正向橫流(沿Y軸正向)對(duì)駛經(jīng)橋墩的船舶而言屬于推船流,負(fù)向橫流為吸船流。從此處橫流分布規(guī)律可以預(yù)測(cè),船舶沿橋墩左側(cè)航線下行與橋墩會(huì)遇時(shí),首先,船首將受到一個(gè)推力,在兩橋墩之間船體受力呈現(xiàn)振蕩狀態(tài),船尾離開下游橋墩時(shí)會(huì)受到吸力作用。為進(jìn)一步分析橫流分布規(guī)律,提取了L/D=3.0時(shí)部分點(diǎn)橫向流速歷時(shí)數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置:在上橋墩上游前1.0D位置至下橋墩下游2.0D處,沿水流方向(X軸正向)均布7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)間橫向間距為1.0D,縱坐標(biāo)Y=1.0D);沿Y軸方向,距c、d點(diǎn)0.4D與0.8D再分別布置測(cè)點(diǎn)h、j和y、k,研究橫向流速沿航道法線方向分布規(guī)律。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向流速歷時(shí)曲線見圖6。

        a) 單橋墩

        b) L/D=3.0

        c) L/D=5.0圖5 某一時(shí)刻橋墩周圍橫向流速分布

        從圖6、7、8監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向流速歷時(shí)曲線看,各點(diǎn)橫向流速都在周期性波動(dòng)。結(jié)合圖5b某一時(shí)刻橋墩周圍橫向流速等值線,可以看出,兩橋墩墩前左前方區(qū)域橫向流速基本為正值,在橋墩墩尾,點(diǎn)橫流正負(fù)交替變化,但負(fù)峰值明顯大于正峰值。值得注意的是,圖6中曲線波形變得不對(duì)稱,峰值附近變化急劇,這主要與上游尾渦對(duì)下游橋墩的沖擊及下游橋墩尾渦的脫落有關(guān)。

        a) 觀測(cè)點(diǎn)a

        b) 觀測(cè)點(diǎn)b

        c) 觀測(cè)點(diǎn)c

        d) 觀測(cè)點(diǎn)d

        e) 觀測(cè)點(diǎn)e

        f) 觀測(cè)點(diǎn)f

        g) 觀測(cè)點(diǎn)g圖6 L/D=3.0沿水流方向觀測(cè)點(diǎn)橫向流速歷時(shí)曲線

        h) Vy值監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置續(xù)圖6 L/D=3.0沿水流方向觀測(cè)點(diǎn)橫向流速歷時(shí)曲線

        圖7、8給出了橫向流速沿航道法線方向分布情況,可以發(fā)現(xiàn)隨著Y/D增大,橫向流速減小。在船閘口門區(qū)及內(nèi)河橋區(qū)船舶通航實(shí)踐中,根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》,常認(rèn)為船舶低速航行時(shí),能抵御的橫向流速大小為0.3 m/s。鑒于此,以橫向流速0.3 m/s(與物理模型一致,數(shù)學(xué)模型采用幾何比尺λL=50,此處流速對(duì)應(yīng)本文中的0.042 m/s)作為界定橋墩周圍礙航紊流寬度標(biāo)準(zhǔn),定義橋墩周圍干擾船舶通航紊流區(qū)水域?qū)挾菳與橋墩直徑D的比值為相對(duì)紊流寬度B/D,B為兩側(cè)紊流區(qū)邊界到橋墩邊壁距離總和。根據(jù)橋墩兩側(cè)橫向流速0.042 m/s等值線分布情況,統(tǒng)計(jì)兩側(cè)最大紊流范圍見表2。

        表2 不同橋墩間距下的橋墩相對(duì)紊流寬度

        注:橋墩左側(cè)表示順?biāo)鞣较蛴^察的左側(cè);上表數(shù)值均為與橋墩直徑D的比值

        從表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,串列橋墩相對(duì)紊流寬度較單橋墩大,這主要是由于兩橋墩尾流相互作用,造成尾流分布不對(duì)稱,下游橋墩單側(cè)出現(xiàn)較大橫向流速,特別在L/D=2.0時(shí),上游橋墩剪切層直接重附在下游橋墩上,使得此時(shí)的相對(duì)紊流寬度最大。

        a) 觀測(cè)點(diǎn)c

        b) 觀測(cè)點(diǎn)h

        c) 觀測(cè)點(diǎn)j圖7 L/D=3.0,X=D沿航道法線方向觀測(cè)點(diǎn)橫向流速歷時(shí)曲線

        a) 觀測(cè)點(diǎn)d

        b) 觀測(cè)點(diǎn)y

        c) 觀測(cè)點(diǎn)k圖8 L/D=3.0,X=2D沿航道法線方向觀測(cè)點(diǎn)橫向流速歷時(shí)曲線

        從紊流寬度考慮,航道邊線與串列橋墩邊壁之間的安全距離至少為1.5D。

        3 結(jié)論

        本文建立了單圓柱橋墩、串列雙圓柱橋墩繞流數(shù)學(xué)模型,計(jì)算了單橋墩及不同橋墩間距比L/D下串列雙橋墩流場(chǎng),分析了兩橋墩墩后渦的生成、脫落與間距比的關(guān)系。通過(guò)分析橋墩周圍橫流分布規(guī)律,從流場(chǎng)分布的角度預(yù)測(cè)船舶經(jīng)過(guò)后的受力表現(xiàn),并初步界定了串列橋墩周圍紊流寬度范圍,得到主要結(jié)論如下。

        a) 串列雙圓柱橋墩周圍水流流態(tài)與兩橋墩中心間距密切相關(guān),下游橋墩位置影響上游橋墩剪切層的分離與重附,同時(shí)上游脫落尾渦又影響下游橋墩剪切層的生成與分離。

        b) 由于橋墩墩后尾渦周期性交替脫落,橫向流速沿水流方向呈現(xiàn)正負(fù)交替分布的規(guī)律。依據(jù)串列橋墩橫流分布規(guī)律可以預(yù)測(cè),船舶沿橋墩左側(cè)航線下行與橋墩會(huì)遇時(shí),首先船首將受到一個(gè)推力,在兩橋墩之間船體受力呈現(xiàn)振蕩狀態(tài),船尾離開下游橋墩時(shí)會(huì)受到吸力作用。

        c) 橋墩周圍流場(chǎng)點(diǎn)橫向流速都在周期性波動(dòng),沿航道法線方向越遠(yuǎn)離橋墩,橫向流速越小。當(dāng)以橫向流速0.3 m/s作為界定橋墩周圍礙航紊流寬度標(biāo)準(zhǔn)時(shí),在研究數(shù)值條件下,串列橋墩周圍單側(cè)礙航紊流寬度約為1.1~1.5D。因此,航道邊線與串列雙圓柱橋墩邊壁之間的橫向安全距離至少應(yīng)為1.5倍橋墩直徑。

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