跨海桥梁桩基础局部冲刷演化特征试验研究
发布时间：2022-01-14 10:06
在水流环境中,桥梁结构物的存在会使其周围流态发生变化,进而产生局部冲刷。局部冲刷的形成大大降低了桥梁桩基的承载力,是造成桥梁结构损毁、坍塌的主要原因之一。桥梁桩基的局部冲刷是海岸和近海岩土工程中的经典问题,涉及流体动力学和土力学的交叉内容,其机理与演化过程复杂,加之受当前试验技术和计算机模拟能力的限制,针对不同型式的群桩基础的冲刷问题仍有很多方面尚待进一步厘清。本文针对近海环境中的单桩、群桩基础局部冲刷问题,开展了如下研究工作:1.通过室内水槽试验,采用摄像机实时监测单桩桩周的冲刷深度变化,研究了不同水深和流速条件下局部冲刷的发展特征,试验发现:局部冲刷首先发生在桩侧前方并逐渐向桩周扩展,桩后先发生淤积后再冲刷;水深越大,流速越大,桩后淤积现象持续时间越短,桩周冲刷发展迅速且均匀,达到稳定所需时间越久;桩周最大、最小冲深点首先分别出现桩的侧前方和桩后区域,但随着试验的进行其位置会发生变化。另外,单桩绕流的数值计算中发现,底床最大切应力位于桩侧前方,说明初始冲刷从该部位发生,这与室内试验结果一致。2.针对实际工程中常见的矩形柱群（九柱柱群）,本文采用粒子速度成像（PIV）技术和压力传感器...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：185 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１边界层分离不意图??
第一章绪论??时为临界状态；当Ｒｅ＞３＞＜１０６时，湍流祸街重现，此时为超临界状态。??由图１．２可知，随着雷诺数Ｒｅ的增加，圆柱柱后会产生周期性脱落的漩涡，??其脱落频率／可用无量纲数Ｓｔｏｕｈａ丨数（Ｓｔ）来表征，Ｓｔ＝／Ｄ／［／（Ｄ为圆柱直径，??（７为来流速度），且通过试验表明：当Ｒｅ＜２００时，ＳＫ０．２，且随Ｒｅ的增大而增??大；当亚临界状态（３００＜Ｒｅ＜３ｘｌ０５）时，Ｓｔ数稳定在０．２左右；当Ｒｅ＞３ｘｌ〇５时，??Ｓｔ数随Ｒｅ变化较大，没有明显规律。??另外，圆柱绕流产生复杂的流态结构的同时，圆柱也会由于表面压强分布的??不均匀产生阻力（平行于流体流向）和升力（垂直于流体流向）周期性的变化。??单位长度圆柱体的阻力和升力可分别按下式计算：??Ｆｄ＝＼ｃｄｐＵ２Ｄ?（１－１）??Ｆ丨丨?ｐｌｆＤ?（１－２）??式中，ｐ为流体密度，ｔ／为来流流速，乃为圆柱直径，＆、巧分别为圆柱所受的??沿流向的阻力和垂直于流向的升力，〇、〇分别为相应的阻力和升力系数。其中，??由于圆柱的对称性
说明上下游柱间为引力，当ＺＶＤ增加到第三种流态的值时，Ｑ发生陡升并趋近??．单柱的。??双柱并列时流态特征（图１．４ｂ）主要为：（１）?１＜Ｌ／ＺＫ１．１－１．２，单漩涡脱落（ａ??ｓｉｎｇｌｅ－ｂｌｕｆｆ－ｂｏｄｙｂｅｈａｖｉｏｕｒ），双柱间距太小，间隙流微弱，边界层在上、下柱外??侧脱落，尾部形成类似单柱的一列涡街，此时Ｓｔ数约为单柱的一半；（２）??１．１－１．２＜Ｚ７Ｚ）＜２－２．２，偏斜流形态（ｂｉａｓｅｄ?ｆｌｏｗ?ｐａｔｔｅｒｎ），双柱间距变大，产生能量??较大的间隙流、且发生偏斜，双柱各自的上、下剪切层均发生分离、脱落，在双??柱后形成宽尾流（脱落频率较小，Ｇ较小、Ｑ较大）和窄尾流（脱落频率较大，??Ｇ较大、Ｃ／较小），且在一定间距比时可捕捉到双稳态现象及间隙流发生周期性??的偏斜，Ｌ／Ｄ较小时，两柱的Ｃ／均为正，柱间表现为明显的排斥力，窄尾流的脱??落频率约是宽尾流的３倍；（３）?Ｌ／Ｚ）＞２－２．２
【参考文献】：
期刊论文
[1]Re=3900圆柱绕流的三维大涡模拟[J]. 战庆亮,周志勇,葛耀君. 哈尔滨工业大学学报. 2015(12)
[2]高雷诺数下并列双圆柱绕流的DES法三维数值模拟[J]. 李燕玲,苏中地,李雪健. 水动力学研究与进展A辑. 2014(04)
[3]高雷诺数下单圆柱绕流的DES三维数值模拟[J]. 李燕玲,苏中地. 中国计量学院学报. 2013(04)
[4]Numerical investigation of drag force on flow through circular array of cylinders[J]. 余凌晖,詹杰民,李毓湘. Journal of Hydrodynamics. 2013(03)
[5]Circulation characteristics of horseshoe vortex in scour region around circular piers[J]. Subhasish DAS,Rajib DAS,Asis MAZUMDAR. Water Science and Engineering. 2013(01)
[6]具有自由液面效应的圆柱绕流三维数值模拟[J]. 岳永威,李梦阳,孙龙泉,王领. 船舶. 2012(04)
[7]潮流作用下群桩局部冲刷试验研究[J]. 彭可可,文方针. 铁道科学与工程学报. 2012(02)
[8]圆柱桥墩局部冲刷机理试验研究[J]. 张新燕,吕宏兴,沈波. 水利水运工程学报. 2012(02)
[9]水流夹角对群桩局部冲刷影响试验研究[J]. 卢中一,高正荣. 中国港湾建设. 2011(06)
[10]大桥复合桥墩局部冲刷深度的计算分析[J]. 梁森栋,张永良. 水利学报. 2011(11)
博士论文
[1]圆柱桩群阻力特性及其对底床冲淤影响的研究[D]. 邓绍云.南京水利科学研究院 2007
硕士论文
[1]圆柱桥墩绕流的数值模拟研究[D]. 吉鸿敏.西北农林科技大学 2015
[2]圆柱群绕流的实验及数值模拟研究[D]. 李强.浙江大学 2014
[3]潮流作用下桥墩局部冲刷研究[D]. 李梦龙.天津大学 2012
[4]粒子图像测速（PIV）技术在水槽波浪中的研究[D]. 龙晓警.天津大学 2009
[5]直立圆柱周围流场与局部冲刷的数值模拟方法研究[D]. 陈志乐.上海交通大学 2008
[6]潮流作用下桥墩局部冲刷研究[D]. 韩海骞.浙江大学 2006
本文编号：3588311
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：185 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１边界层分离不意图??
第一章绪论??时为临界状态；当Ｒｅ＞３＞＜１０６时，湍流祸街重现，此时为超临界状态。??由图１．２可知，随着雷诺数Ｒｅ的增加，圆柱柱后会产生周期性脱落的漩涡，??其脱落频率／可用无量纲数Ｓｔｏｕｈａ丨数（Ｓｔ）来表征，Ｓｔ＝／Ｄ／［／（Ｄ为圆柱直径，??（７为来流速度），且通过试验表明：当Ｒｅ＜２００时，ＳＫ０．２，且随Ｒｅ的增大而增??大；当亚临界状态（３００＜Ｒｅ＜３ｘｌ０５）时，Ｓｔ数稳定在０．２左右；当Ｒｅ＞３ｘｌ〇５时，??Ｓｔ数随Ｒｅ变化较大，没有明显规律。??另外，圆柱绕流产生复杂的流态结构的同时，圆柱也会由于表面压强分布的??不均匀产生阻力（平行于流体流向）和升力（垂直于流体流向）周期性的变化。??单位长度圆柱体的阻力和升力可分别按下式计算：??Ｆｄ＝＼ｃｄｐＵ２Ｄ?（１－１）??Ｆ丨丨?ｐｌｆＤ?（１－２）??式中，ｐ为流体密度，ｔ／为来流流速，乃为圆柱直径，＆、巧分别为圆柱所受的??沿流向的阻力和垂直于流向的升力，〇、〇分别为相应的阻力和升力系数。其中，??由于圆柱的对称性
说明上下游柱间为引力，当ＺＶＤ增加到第三种流态的值时，Ｑ发生陡升并趋近??．单柱的。??双柱并列时流态特征（图１．４ｂ）主要为：（１）?１＜Ｌ／ＺＫ１．１－１．２，单漩涡脱落（ａ??ｓｉｎｇｌｅ－ｂｌｕｆｆ－ｂｏｄｙｂｅｈａｖｉｏｕｒ），双柱间距太小，间隙流微弱，边界层在上、下柱外??侧脱落，尾部形成类似单柱的一列涡街，此时Ｓｔ数约为单柱的一半；（２）??１．１－１．２＜Ｚ７Ｚ）＜２－２．２，偏斜流形态（ｂｉａｓｅｄ?ｆｌｏｗ?ｐａｔｔｅｒｎ），双柱间距变大，产生能量??较大的间隙流、且发生偏斜，双柱各自的上、下剪切层均发生分离、脱落，在双??柱后形成宽尾流（脱落频率较小，Ｇ较小、Ｑ较大）和窄尾流（脱落频率较大，??Ｇ较大、Ｃ／较小），且在一定间距比时可捕捉到双稳态现象及间隙流发生周期性??的偏斜，Ｌ／Ｄ较小时，两柱的Ｃ／均为正，柱间表现为明显的排斥力，窄尾流的脱??落频率约是宽尾流的３倍；（３）?Ｌ／Ｚ）＞２－２．２
【参考文献】：
期刊论文
[1]Re=3900圆柱绕流的三维大涡模拟[J]. 战庆亮,周志勇,葛耀君. 哈尔滨工业大学学报. 2015(12)
[2]高雷诺数下并列双圆柱绕流的DES法三维数值模拟[J]. 李燕玲,苏中地,李雪健. 水动力学研究与进展A辑. 2014(04)
[3]高雷诺数下单圆柱绕流的DES三维数值模拟[J]. 李燕玲,苏中地. 中国计量学院学报. 2013(04)
[4]Numerical investigation of drag force on flow through circular array of cylinders[J]. 余凌晖,詹杰民,李毓湘. Journal of Hydrodynamics. 2013(03)
[5]Circulation characteristics of horseshoe vortex in scour region around circular piers[J]. Subhasish DAS,Rajib DAS,Asis MAZUMDAR. Water Science and Engineering. 2013(01)
[6]具有自由液面效应的圆柱绕流三维数值模拟[J]. 岳永威,李梦阳,孙龙泉,王领. 船舶. 2012(04)
[7]潮流作用下群桩局部冲刷试验研究[J]. 彭可可,文方针. 铁道科学与工程学报. 2012(02)
[8]圆柱桥墩局部冲刷机理试验研究[J]. 张新燕,吕宏兴,沈波. 水利水运工程学报. 2012(02)
[9]水流夹角对群桩局部冲刷影响试验研究[J]. 卢中一,高正荣. 中国港湾建设. 2011(06)
[10]大桥复合桥墩局部冲刷深度的计算分析[J]. 梁森栋,张永良. 水利学报. 2011(11)
博士论文
[1]圆柱桩群阻力特性及其对底床冲淤影响的研究[D]. 邓绍云.南京水利科学研究院 2007
硕士论文
[1]圆柱桥墩绕流的数值模拟研究[D]. 吉鸿敏.西北农林科技大学 2015
[2]圆柱群绕流的实验及数值模拟研究[D]. 李强.浙江大学 2014
[3]潮流作用下桥墩局部冲刷研究[D]. 李梦龙.天津大学 2012
[4]粒子图像测速（PIV）技术在水槽波浪中的研究[D]. 龙晓警.天津大学 2009
[5]直立圆柱周围流场与局部冲刷的数值模拟方法研究[D]. 陈志乐.上海交通大学 2008
[6]潮流作用下桥墩局部冲刷研究[D]. 韩海骞.浙江大学 2006
本文编号：3588311
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