清水流与水沙流对桥梁墩柱绕流特性数值模拟研究

作     者：李泽熹 

作者单位：山东科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张宪堂

授予年度：2019年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：清水流 水沙流 三维数值模拟 水动力 漩涡脱落 颗粒运动 

摘      要：圆柱绕流是钝体绕流形式中最为常见和重要的一种流动形式,广泛存在于工程技术领域。当流体绕流过圆柱后,会在圆柱体的尾流区产生漩涡脱落现象,周期性脱落的漩涡会诱发周期性变化的流体作用力,使圆柱体结构产生相应的动力响应,影响结构的安全性和可靠性。颗粒在圆柱体绕流尾迹中的扩散运动也是工程领域的一种普遍现象,例如挟沙水流绕流过圆柱形桥梁墩柱,其沙粒在桥梁墩柱尾流中的运动就是典型的颗粒在圆柱尾流中的运动。因此,圆柱桥墩绕流及颗粒在圆柱桥墩尾流中的运动特性研究具有重要的工程价值和实际意义。基于FLUENT软件的URANS方法,对雷诺数Re=1×106的无限长单圆柱桥墩、固定于壁面上的有限长单圆柱桥墩及间距比L/D=4的有限长串列双圆柱桥墩绕流进行了清水流工况和水沙流工况下的数值模拟计算,对时均、瞬态流场信息等水动力特性及沙粒在圆柱桥墩尾流区不同位置处的运动特性进行了分析。本文所获得的主要结论:（1）在高雷诺数（Re=1×106）下,有限长单圆柱桥墩绕流的三维特性较无限长单圆柱桥墩绕流更加明显。无限长单圆柱桥墩绕流尾流区呈现出类似于光滑圆柱管的漩涡脱落形态,而有限长单圆柱桥墩绕流则在底部壁面处出现了特有的“马蹄形漩涡,致使尾流场更为复杂。（2）在高雷诺数（Re=1×106）间距比L/D=4工况下,上游圆柱桥墩对下游圆柱桥墩的流场仍有影响,上下游圆柱桥墩受力特性差异明显。在一个典型周期内,上游及下游圆柱桥墩的漩涡脱落频率相同,表现为漩涡共同脱落的模态。（3）有限长单圆柱桥墩及间距比L/D=4的有限长串列双圆柱桥墩绕流的尾部区域,在近圆柱桥墩尾流区,流场速度变化剧烈,沙粒与流体的跟随性较差,而在远离圆柱桥墩的下游流场,沙粒与流体的跟随性较好,沙粒与流体的速度分布无明显差异。