圓柱繞流流態(tài)與圓柱橋墩周圍沖刷關系的研究

圓柱繞流流態(tài)與圓柱橋墩周圍沖刷關系的研究

1實驗系統(tǒng)的組成1.1實驗層橋墩的材料和配比實驗在10m長、1.5m寬、0.6m高的矩形線性開放式池中進行。池頂部的入口端設置了旁路泵站和磁電阻量以調(diào)節(jié)流量。下游出口端設置漏水閥和磁電池以調(diào)整水深。中部為0.6m的實驗段。為了確保上游到達模型區(qū)域的平坦度，模型橋墩被放置在實驗段中部。本模型橋墩制作考慮的水槽壓縮比應與天然河流建橋斷面壓縮比相近,通常橋墩間跨徑為30m,橋墩直徑為2m,即壓縮比為1/15,而實驗中水槽寬度為1.5m,圓柱橋墩直徑為11cm,則壓縮比為11/150,與天然河流建橋斷面的壓縮比基本相同。圓柱橋墩上下游共設置13個測流斷面,各斷面間間距均為5cm,以1斷面和橋墩縱軸線的交點為原點建立平面坐標系,x軸沿斷面方向,y軸沿水流方向。1.2控制海底泥沙q的測量本實驗選取0.03,0.06m3/s和0.08m3/s3個放水流量,根據(jù)沙莫夫(Г.И.Шамов)泥沙起動流速公式確定上游斷面的控制水深。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為泥沙起動流速,m/s;ρs為泥沙的密度,取ρs=2.65×103kg/m3;ρ為水的密度,取ρ=1000kg/m3;g為重力加速度,取g=9.81m/s2;h為水深,m;d為泥沙粒徑,mm;d50為泥沙中值粒徑,取d50=0.547mm;A為過水斷面面積,m2;Q為放水流量,m3/s。將Q=0.06m3/s代入(4)式求出控制水深h=14.62cm,保持該控制水深不變,進行3個組次的實驗。各組次的實驗參數(shù)見表1,每個實驗組次分別測量1～13斷面各測點的三維流速。2流場的特征結(jié)果分析2.1實驗資料整理本實驗采用挪威NortekAS公司生產(chǎn)的高精度三維點式超聲波流速儀測流速。設定流速儀的采樣頻率為25Hz,每個測點持續(xù)測速8s,可得到200個數(shù)據(jù),利用流速儀中的DataConversion命令,轉(zhuǎn)化得到200個流速值組成的流速系列,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)uˉ=1200∑i=1200u(i),vˉ=1200∑i=1200v(i),wˉˉˉ=1200∑i=1200w(i)式中u(i),v(i)和w(i)分別為縱向(沿y軸正向為正)、橫向(沿x軸的正向為負)和垂向(向上為正)的瞬時流速;分別為縱向、橫向和垂向的時均流速。2.2平面二維流場的觀測與分析圓柱繞流的主要特點是水流流經(jīng)橋墩時,一部分受阻擋的水流在橋墩處產(chǎn)生一定的擠壓,出現(xiàn)壅水現(xiàn)象,另一部分則折向橋墩兩側(cè),使其流速急劇增大,并產(chǎn)生擠壓繞流,影響橋墩的局部沖刷。實驗過程中,隨著斷面平均流速的增大,邊界層將發(fā)生分離,形成相互反向旋轉(zhuǎn)的2個對稱旋渦,蝸旋趨于拉長,然后開始波動,接著開始脫離圓柱。漩渦的脫落是交替發(fā)生的,先從圓柱的一側(cè)而后再從另一側(cè),脫落的渦旋隨即被主流沖走。流速繼續(xù)增大,漩渦從圓柱兩側(cè)連續(xù)交替脫落,并在尾流中形成兩排漩渦,即為馮.卡門渦街。實驗圓柱繞流的流譜變化如圖1所示。圖2為實驗測點在不同斷面平均流速U下縱向時均流速ˉuuˉ和橫向時均流速ˉvvˉ矢量合成后得到的圓柱周圍的平面二維流速場,該流場中流速是所測時均流速的定量描述,其大小和方向均為實驗實測資料。由圖2可見:(1)當U=0.14m/s時,墩前流場中的流速為0.12～0.14m/s,流態(tài)比較平順。墩后流速為0.14～0.16m/s,水流擾動不大。隨著U的增大,各點流速明顯增大,且墩后水流擾動更加劇烈。當U=0.37m/s時,流場中流速范圍增大為0.32～0.44m/s。(2)同一流速U情況下,水流在墩前壅水處流速減小,橋墩兩側(cè)流速急劇變大,墩后流速較小,流向不規(guī)則,并伴有漩渦出現(xiàn)。距離橋墩越遠,水流流態(tài)越平順。2.3橫向時均流速ˉvvˉ的變化圖2流場中的流速是橫向時均流速ˉvvˉ與縱向時均流速ˉu矢量的合成,平面二維流場中流速的偏移方向直接受橫向流速大小的影響。在不同流速U下為了分析ˉv在圓柱周圍各測點處的變化規(guī)律,選定圓柱上下游4個斷面作為反映ˉv變化的典型斷面(定義測點距y軸的距離與圓柱半徑r的比值m表示測點與橋墩縱軸線間的相對距離)。如表2,3所示。由表2可見:(1)同一斷面平均流速U下,自橋墩縱軸線(m=0)開始,ˉv先增大而后減小,最大值一般在相對距離m=1.82附近,在m>6.36時ˉv值趨向穩(wěn)定,圓柱繞流對橫向水流的影響減弱。(2)結(jié)合圖3可以看出,ˉv為正值表示流場中流速的方向偏向橋墩,負值表示方向偏離橋墩。在4斷面,墩軸線附近ˉv的流向主要為負,m>1.82范圍內(nèi)流向主要為正,說明墩前水流方向在墩軸線附近偏向橋墩,外側(cè)偏離橋墩。在6斷面,所測測點范圍內(nèi)水流方向在不同流速U下均偏離橋墩?？梢娝鲝?斷面流向6斷面時,圓柱繞流開始發(fā)生。從表3可以看出:(1)橫向時均流速ˉv隨斷面平均流速U的增大而增大,U越大,ˉv的變化越大,橫向繞流越明顯。(2)當流速U=0.14m/s時,從8斷面向9斷面的過渡過程中,流場中方向偏向橋墩的流速范圍逐漸擴大,即繞流寬度逐漸擴大,在9斷面產(chǎn)生最大的繞流寬度,此時的繞流寬度大于7.27r,r為圓柱橋墩半徑。隨著流速的增大,繞流寬度逐漸減小,當U=0.37m/s時,9斷面繞流寬度約為3r。2.4垂向流速ˉw在二維流場分析的基礎上,進一步分析典型斷面垂向時均流速ˉw的變化。圖3給出8斷面(y=35cm)和13斷面(y=60cm)的垂向時均流速分布。(1)在不同斷面平均流速U下,ˉw均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。且在m=0.91附近出現(xiàn)最大垂向波動流速。由8斷面到13斷面,圓柱軸線附近的垂向流速逐漸變大。(2)當流速U=0.14m/s時13斷面垂向流速數(shù)值較8斷面減小,且無明顯波動,即圓柱對繞流影響減弱;隨著U值的增大,13斷面垂向時均流速數(shù)值及波動范圍均比8斷面大,即河道流越大,繞流流程相對越長,與平面流場所得結(jié)論相同。3道斷面平均流速(1)在開放直線水槽實驗中,利用Vectrino小威龍點式流速儀精確測量水流的瞬時流速,得出圓柱橋墩繞流縱向、橫向和垂向的三維時均流速分布。(2)通過對不同斷面平均流速U下的平面二維流場的分析發(fā)現(xiàn),河道斷面平均流速U的大小直接影響圓柱繞流的流態(tài),一般U越大,圓柱繞流的橫向繞流寬度增長較慢,繞流范圍的縱向流程越長,對河床的沖刷范圍相對狹長,沖刷強度大,沖坑較深;斷面平均流速U越小,橫向繞流寬度增長快,繞流范圍的縱向流程越短,對河床沖刷呈寬廣型,使沖刷強度減小,沖坑較淺。(3)