方形墩柱绕流阻力与尾涡区之间的关系研究

发布时间：2020-06-13 03:46

【摘要】：墩柱所受绕流阻力一直以来是流体力学所关注的焦点问题,具有十分重要的意义。方形作为墩柱结构的一种重要截面形式,在实际工程中得到较为广泛的应用。本文基于方形墩柱绕流物理模型试验和数值模拟研究,分析了方形墩柱周围的水流特性、并结合理论分析初步探讨了方形墩柱绕流阻力形成机理及其与尾涡区之间的关系,研究可进一步丰富现有绕流阻力理论,为今后水工建筑物的设计施工提供一定的参考。首先,基于压力传感器和粒子图像测速技术对方形墩柱绕流进行物理模型试验。利用图像识别技术对方形墩柱周围自由面形态的变化规律进行研究,得到了墩前最大壅水值和墩侧最大跌水值随雷诺数(Re)的变化规律以及不同Re下水位沿程的变化特征;通过耦合分析不同Re下的中轴立面(y/D=0)时均流场和不同水深位置、不同Re下的平面时均流场,探究了方形墩柱附近的三维时均水流结构,同时得到相对水深位置(z/h)、Re对方形墩柱周围流场结构的影响;通过探讨不同Re下中间水深平面(z/h=0.5)和中轴立面的时均涡量分布,得到了R 对方形墩柱附近时均涡量场的影响;结合理论分析,通过探讨平面二维(z/h=0.5)和三维方形墩柱绕流阻力与尾涡区之间的关系,发现尾涡区时均相对面积((?))、时均相对体积((?))、无量纲时均绕流阻力((?))和无量纲化新型绕流阻力公式时均关系系数((?))与Re之间均存在较好的二次函数关系。在现实较大水流条件下,方形墩柱时均绕流阻力与尾涡区时均尺寸之间存在较好的线性关系。其次,基于大涡模型利用验证好的三维精细数学模型对方形墩柱绕流进行数值模拟研究。采用流体体积函数输运方程对方形墩柱绕流自由液面进行追踪,得到不同Re下自由面的形态特征;对方形墩柱附近平面瞬态流场以及尾涡脱落频率进行详细分析,得到在Re=15000时,斯特劳哈尔数Si≈0.139,与前人结果相同;通过探讨不同Re下的方形墩柱附近近床底(z/D=0.01)平面和中心面处(x/D=0.5)横断面的时均流场结构,进一步补充分析方形墩柱附近水动力特性;最后基于数值模型,进一步探讨了三维方形墩柱绕流阻力与尾涡区体积之间的关系,发现与物理模型试验结果相似,(?)、(?)和(?)与R之间均存在较好的二次函数关系,方形墩柱整体时均绕流阻力与尾涡区时均体积之间存在较好的线性关系。并对比分析了两种研究方法下(?)、(?)、(?)和(?)的差异。
【图文】：

宝成铁路,垮塌,印度,墩柱

直接关系到水工建筑物的设计、施工等一系列工程实际问题。据某媒体的不完仅２００７－２０１１年５年之间国内就有３７起桥梁墩柱垮塌事故，，造成了邋１８２人死人受伤的严重后果，桥梁灾害频发给人们的生命财产安全造成了巨大的危害［２］。害的原因很多，其中最主要的原因就是墩柱水毁现象，像这样由于建设初期设安全不达标，对墩柱所受绕流阻力把握不到位等因素引起的桥梁事故数不胜数，逐年增长趋势［３］。因而，对于方形墩柱绕流阻力的研宄具有较大的现实意义。逡逑图Ｕ墩柱普遍存在于港口、桥梁等水工建筑物中逡逑

示意图,方柱绕流,受力,绕流阻力

就叫做旋涡阻力（压差阻力）；水流对所绕物体的绕流阻力就由摩擦阻力和旋涡阻力这逡逑两部分组成。对于实际水流当中的墩柱绕流阻力，往往由于水流流速、墩柱尺寸等因素，逡逑绕流阻力以旋涡阻力为主，摩擦阻力可以忽略不计［４】，图１．３为方柱绕流时均流线示意逡逑图，图１．４为方柱绕流受力分析示意图。长期以来，绕流阻力的计算一直采用１７２６年牛逡逑顿提出的绕流阻力计算公式，牛顿绕流阻力公式的提出在很大程度上方便了实际工程应逡逑用。但传统的牛顿绕流阻力公式中所包含的绕流阻力系数，至今尚不能用理论计算，主逡逑要依靠试验来确定。理论分析和试验研宄表明，绕流阻力系数是与绕流物形状及水流状逡逑况有关的函数，其实验确定工作复杂繁琐。加之传统的牛顿绕流阻力公式是通过实验而逡逑形成的半理论半经验公式，缺乏很好的物理解释，不便于人们对绕流阻力的形成机理形逡逑成更深刻的认识。因而，有必要对绕流阻力的机理进行深入分析，并试图建立便于工程逡逑应用且具备更好物理意义的新型绕流阻力公式。逡逑静水中
【学位授予单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TV135

【参考文献】