圓柱繞流流態(tài)與圓柱橋墩周圍沖刷關(guān)系的研究

圓柱繞流流態(tài)與圓柱橋墩周圍沖刷關(guān)系的研究

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成1.1實(shí)驗(yàn)層橋墩的材料和配比實(shí)驗(yàn)在10m長(zhǎng)、1.5m寬、0.6m高的矩形線性開(kāi)放式池中進(jìn)行。池頂部的入口端設(shè)置了旁路泵站和磁電阻量以調(diào)節(jié)流量。下游出口端設(shè)置漏水閥和磁電池以調(diào)整水深。中部為0.6m的實(shí)驗(yàn)段。為了確保上游到達(dá)模型區(qū)域的平坦度，模型橋墩被放置在實(shí)驗(yàn)段中部。本模型橋墩制作考慮的水槽壓縮比應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(shè)置13個(gè)測(cè)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(diǎn)為原點(diǎn)建立平面坐標(biāo)系,x軸沿?cái)嗝娣较?y軸沿水流方向。1.2控制海底泥沙q的測(cè)量本實(shí)驗(yàn)選取0.03,0.06m3/s和0.08m3/s3個(gè)放水流量,根據(jù)沙莫夫(Г.И.Шамов)泥沙起動(dòng)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(dòng)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(guò)水?dāng)嗝婷娣e,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(jìn)行3個(gè)組次的實(shí)驗(yàn)。各組次的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1,每個(gè)實(shí)驗(yàn)組次分別測(cè)量1～13斷面各測(cè)點(diǎn)的三維流速。2流場(chǎng)的特征結(jié)果分析2.1實(shí)驗(yàn)資料整理本實(shí)驗(yàn)采用挪威NortekAS公司生產(chǎn)的高精度三維點(diǎn)式超聲波流速儀測(cè)流速。設(shè)定流速儀的采樣頻率為25Hz,每個(gè)測(cè)點(diǎn)持續(xù)測(cè)速8s,可得到200個(gè)數(shù)據(jù),利用流速儀中的DataConversion命令,轉(zhuǎn)化得到200個(gè)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?yàn)檎?、橫向(沿x軸的正向?yàn)樨?fù))和垂向(向上為正)的瞬時(shí)流速;分別為縱向、橫向和垂向的時(shí)均流速。2.2平面二維流場(chǎng)的觀測(cè)與分析圓柱繞流的主要特點(diǎn)是水流流經(jīng)橋墩時(shí),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(shí)驗(yàn)過(guò)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(gè)對(duì)稱旋渦,蝸旋趨于拉長(zhǎng),然后開(kāi)始波動(dòng),接著開(kāi)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?gòu)牧硪粋?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(shí)驗(yàn)圓柱繞流的流譜變化如圖1所示。圖2為實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)在不同斷面平均流速U下縱向時(shí)均流速ˉuuˉ和橫向時(shí)均流速ˉvvˉ矢量合成后得到的圓柱周圍的平面二維流速場(chǎng),該流場(chǎng)中流速是所測(cè)時(shí)均流速的定量描述,其大小和方向均為實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)資料。由圖2可見(jiàn):(1)當(dāng)U=0.14m/s時(shí),墩前流場(chǎng)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(dòng)不大。隨著U的增大,各點(diǎn)流速明顯增大,且墩后水流擾動(dòng)更加劇烈。當(dāng)U=0.37m/s時(shí),流場(chǎng)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(yuǎn),水流流態(tài)越平順。2.3橫向時(shí)均流速ˉvvˉ的變化圖2流場(chǎng)中的流速是橫向時(shí)均流速ˉvvˉ與縱向時(shí)均流速ˉu矢量的合成,平面二維流場(chǎng)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(cè)點(diǎn)處的變化規(guī)律,選定圓柱上下游4個(gè)斷面作為反映ˉv變化的典型斷面(定義測(cè)點(diǎn)距y軸的距離與圓柱半徑r的比值m表示測(cè)點(diǎn)與橋墩縱軸線間的相對(duì)距離)。如表2,3所示。由表2可見(jiàn):(1)同一斷面平均流速U下,自橋墩縱軸線(m=0)開(kāi)始,ˉv先增大而后減小,最大值一般在相對(duì)距離m=1.82附近,在m>6.36時(shí)ˉv值趨向穩(wěn)定,圓柱繞流對(duì)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(chǎng)中流速的方向偏向橋墩,負(fù)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(fù),m>1.82范圍內(nèi)流向主要為正,說(shuō)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(cè)測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)水流方向在不同流速U下均偏離橋墩。可見(jiàn)水流從4斷面流向6斷面時(shí),圓柱繞流開(kāi)始發(fā)生。從表3可以看出:(1)橫向時(shí)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(dāng)流速U=0.14m/s時(shí),從8斷面向9斷面的過(guò)渡過(guò)程中,流場(chǎng)中方向偏向橋墩的流速范圍逐漸擴(kuò)大,即繞流寬度逐漸擴(kuò)大,在9斷面產(chǎn)生最大的繞流寬度,此時(shí)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(dāng)U=0.37m/s時(shí),9斷面繞流寬度約為3r。2.4垂向流速ˉw在二維流場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析典型斷面垂向時(shí)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(shí)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(shì)。且在m=0.91附近出現(xiàn)最大垂向波動(dòng)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(dāng)流速U=0.14m/s時(shí)13斷面垂向流速數(shù)值較8斷面減小,且無(wú)明顯波動(dòng),即圓柱對(duì)繞流影響減弱;隨著U值的增大,13斷面垂向時(shí)均流速數(shù)值及波動(dòng)范圍均比8斷面大,即河道流越大,繞流流程相對(duì)越長(zhǎng),與平面流場(chǎng)所得結(jié)論相同。3道斷面平均流速(1)在開(kāi)放直線水槽實(shí)驗(yàn)中,利用Vectrino小威龍點(diǎn)式流速儀精確測(cè)量水流的瞬時(shí)流速,得出圓柱橋墩繞流縱向、橫向和垂向的三維時(shí)均流速分布。(2)通過(guò)對(duì)不同斷面平均流速U下的平面二維流場(chǎng)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(zhǎng)較慢,繞流范圍的縱向流程越長(zhǎng),對(duì)河床的沖刷范圍相對(duì)狹長(zhǎng),沖刷強(qiáng)度大,沖坑較深;斷面平均流速U越小,橫向繞流寬度增長(zhǎng)快,繞流范圍的縱向流程越短,對(duì)河床沖刷呈寬廣型,使沖刷強(qiáng)度減小,沖坑較淺。(3)