1、PDF外文：http:/ 桥墩周围的紊流和冲刷比尺效应的 CFD 建模研究 第 1 页 共 17 页 中文 7200 字 出处： Huang W, Yang Q, Xiao H. CFD modeling of scale effects on
2、turbulence flow and scour around bridge piersJ. Computers & Fluids, 2009, 38(5):1050-1058. 桥墩周围 的 紊流和冲刷比尺效应 的 CFD 建模研究 黄文锐 a， 杨齐平 b， 肖鸿 b a 美国 佛罗里达州 32310 塔拉哈西市 Pottsdamer 街 2525 号 A129 室 佛罗里达农工大 学佛罗里达州立大学工程学院 土木与环境工程系 b 美国 佛罗里达州
3、 塔拉哈西市 佛罗里达州立大学 FAMU-FSU 工程学院 土木工程系 论文信息 论文历史 ： 2007 年 8 月 20 日收 稿 2007 年 12 月 8 日 修回 2008 年 1 月 18 日 接受 2008 年 4 月 15 日在线刊登 摘要 桥墩周围的泥沙冲刷是一个全国关注的问题，因为近年来它导致的桥梁破坏超过其它所有原因。 现有的桥梁冲刷方程出自 HEC-18，它是由规模相对较小的实验室研究推导得来的。 Mueller 的实地研究 （ Mu
4、eller D, Wagner Chad R.桥墩冲刷预测和实时实地测量分析。第一国际会议 ICSF-1 期刊基础冲刷，德州工农大学学院站，德克萨斯州，美国； 2002） 表明很难从大型桥墩获得的现场数据验证冲刷方程 。在这项研究中 ， 数值模拟计算用 3DCFD 模型进行检验紊流和泥沙冲刷的比尺效应。对于 大尺寸 模型而言 ， 物理模型试验和边界速度来自于小 尺寸 模型，这些小 尺寸 模型是以弗劳德相似准则为基础的。水 流和泥沙冲刷的结果是由以下两 种 同的方法得来的： (a) 广泛应用于物理建模的弗劳德相似准则 ； (b) 原尺寸的 3DCF
5、D 建模。在物理建模中， 忽略了 雷诺数 的影 响，而 CFD 模型却不同与此，它采用二阶紊流模型计算紊流速度和泥沙冲刷。紊流和泥沙冲刷的比尺效应是通过将来自于原尺寸数值模拟的结果和来自于弗劳德相似准则研究方法的结果进行比较来研究的。 爱思唯尔有限公司 2008 年
6、版，公司保留所有解释权 。 桥墩周围的紊流和冲刷比尺效应的 CFD 建模研究 第 2 页 共 17 页 1 引言 桥墩周围的局部冲刷带来的威胁近几年备受关注。根据理查森等 16， 桥墩周围的局部冲刷是导致桥梁破坏最主
7、要的原因之一。可以观察到在桥墩周围的自由表面流向下运动会形成马蹄形漩涡和 漩涡阴影， 在 桥墩的前后和周围紊流加剧。此外，在桥墩周围的松散层观察到一个造型独特的 冲刷洞。试 验研究发现， 在冲刷洞的发展中水流和输沙过程是非常复杂的。 对 桥墩局部冲刷的研究 开 始于实验室 试 验。 Laursen 10研究在长收缩段中的清水冲刷做为几何、流量和泥沙的函数关系。他开发了一个桩或 桥台的 冲刷深度平衡程。Shen 等 1 7 ,18 进行了 21 项实验，这些实验都使用单一圆柱 体 直径和泥沙粒度，但是水力条件 (水深和水深平均流速 ) 会改变，以同时包括清水和着床条件。他
8、们开发了冲刷深度的经验公式作为时间、桩直径（ D） 、深度平均流速 (V)和一个上游水深（ y0）的函数。 Cunha5发现 Shen 等 18模型是基于窄范围的水流和泥沙条件，所以很可能不太适合实际应用。在他的实验完整性中，模型缺少泥沙粒度做为一个因素使得它很难有在不同于这些条件的其 它 模型的应用。 Breusers3用桩 D = 5 cm 和 11 cm， 水深15cm、 25cm 和 50 cm，泥沙颗粒径 d = 2mm 做了几项试验。试验中 U0/U0c (U0c =起动临界流速 )是固定值。 Totapally 等 19研究了在稳定水流和使用阶梯式的水文曲线下的局部冲
9、刷变 量。他们得出结论：对数方程比能量方程能更好的表示随时间变化的冲刷变量，并质疑冲刷平衡深度是否存在，因为尽管冲刷速率大大降低，但随时间的变化冲刷仍在继续。 Graf 等 8 使用 acoustic-Doppler velocity-profiler(ADVP)研究飞机上、下部的气油缸和排气孔垂直处的流型。他们发现，排气孔的剪、切应力相比 迎风气流 减小，但是 紊动动能 在上部的油缸底部是很大的，在 油缸后的尾流中也很大 。 除了这些实验之外，以计算流体动力学 (CFD)为基础的数值模拟已经广泛用于研究紊流和桥墩周围的泥沙输移。 大多数预测泥沙输移的模型是以单相流的方法为基础的。
10、 Bakker 2开发了一个数学模型来计算悬沙浓度。 Hagatun 等 9提出了一种紊流模型在平坦基床上以模拟瞬时含沙量和紊流边界层层流状况。 Ahilan 等 1从理论上和试验上两方面研究了平坦基床上振荡流中的泥沙运动 。 Nadaoka 等 12开发动床模型考虑了单相流的水质点运动和动量传递。 Olsen 等 13 使用三维流输沙模型预测局部冲刷的 &n
11、bsp; 桥墩周围的紊流和冲刷比尺效应的 CFD 建模研究 第 3 页 共 17 页 发展过程。 Ribberink 等 14进行 了 在一个大型振动的水槽中流速和含沙量随时间变化的测量。最近，几个 二相水流建模技术已经开发出来了。 Richardson 等 15模拟桥墩周围有冲刷 洞和无冲刷洞 的水流结构。将模拟结果与试验结果经行对比，他们发现三维水动力模型能更好的模拟桥墩周围复杂的水流流态。 Wang 等 21 使用 CCHE3D 模拟桥墩周围冲刷洞的变化发展，还检测了包括不同 流态 对泥沙输移的影
12、响。 Chang 等 4使用大涡数值模拟 (LES)模型来解决桥墩周围的定床和无冲刷条件的流 体 方程。 Tseng 等 20用LES 进行了方形和圆形桥墩的数值模拟。他们发现向下流是在桥墩前面形成的，并影响了马蹄 形 漩涡的形成。他 们也把紊流结构、升力系数和阻力系数与模型试验结果进行了比较， 取得 较好的拟合。 以试验数据为基础的 冲刷预测方法和冲刷方程并不能总是为现场条件提供合理的结果 11。虽然弗劳德相似准则在表面重力水流扮演重要的角色，但是对于桥墩周围的水流而言，紊流影响不能忽略不计。在这项研究中，数值模拟是用来研究桥墩附近的紊流和泥沙冲刷的比尺效应。 FLUENT 软件
13、 是用来预测圆柱墩周围的三维流态。用 FLUENT 软件制作出来的 紊流和泥沙模型很好的 验证了 小型桥墩周围冲刷的试验数据。 对于 大 比例尺 模型而言，物理模型和边界速度是从以弗劳德相 似定律为基础的小 比例尺 模型中建立起来的。 CFD 模型与物理模型不同，物理建模忽略了紊流雷诺数的影响，而 CFD 模型采用二阶紊流模型来计算紊流速度和泥沙冲刷。 紊流和泥沙冲刷的比尺效应是通过将原尺寸数值模拟模型中得到的不同结果与弗劳德的相似性准则中得到的结果进行比较来研究的。 2 流体动力学方程中的动力相似 以 相似理论为基础的物理建模已经广泛应用于研究桥墩周围的紊流和泥沙冲刷。在 FHWA（ 美国联邦公路局 ） 编订的 HEC-18 手册 6中，泥沙冲刷方程是从以弗劳德相似准则为基础的小规模实验室试验中得来的，由于同时满足 弗劳德相似准则和雷诺相似准则比较困难，所以在这些试验中忽略了雷诺数和紊流的影响。尽管通常情况下弗劳德相似准则在表面重力水流中扮演着重要的角色，对于桥墩周围的水流而言，紊流的影响也并不是可以忽略不计的。在这项研究中，数值模拟通过桥墩附近的紊流和
