桥墩阻水比对弯道水流流场的影响

作     者：黄靖轩 

作者单位：河北工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：路明

授予年度：2022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：桥墩阻水比 弯道水流 物理模型 数值模拟 壅水特性 流场结构 

摘      要：近年来,随着我国经济的迅速发展,我国桥梁建设事业的发展也发生质的飞跃。桥梁建成后,桥墩压缩原有河道过水断面,造成有效过流面积减小,导致局部水位壅高。同时,桥墩改变周围流场,产生局部冲刷,影响桥墩安全。因此探究桥墩上游壅水规律并计算墩前最大水位壅高,同时对桥墩周围的流场结构进行研究,以期为桥梁建设提供参考方案。本文主要工作首先将前人有关桥墩绕流和壅水特性两方面的研究成果进行分析总结,在此基础上基于相关理论,通过物理模型试验对弯道水槽内桥墩附近的水流特性进行分析研究,并采用数学模型对桥墩布设后的弯道水槽内流场进行模拟。主要研究内容和结论如下:（1）在弯道水槽模型内开展并联五圆墩绕流试验,对桥墩上游水位变化及桥墩附近的流速分布情况进行研究。试验结果表明,墩前水位壅高与阻水比和弗劳德数呈正相关,墩前最大水位壅高靠近凸岸区;墩前横向水位超高与阻水比呈负相关。（2）桥墩附近上下游主流位置随桥墩阻水比的增大而趋于集中在河道中间,墩前断面纵向流速分布趋于均匀,墩后断面纵向流速分布趋于紊乱;横向流速在墩前与墩后分布均趋于紊乱。桥墩阻水比对纵向流速和横向流速分布的影响均随Fr增大而减小。（3）采用Fluent软件建立三维数值模型进行模拟计算。数值模拟结果表明,最大水位壅高与阻水比呈线性关系,且以阻水比21.9%为临界点。因此,对于圆心角45°弯道内桥梁工程的阻水比应尽量小于21.9%。根据数值模拟结果拟合出最大水位壅高计算公式,物理模型试验验证结果表明该计算公式具有合理性。（4）桥墩阻水比对凸岸区水位和流速影响较大。随桥墩阻水比增大,凸岸回流区范围比凹岸更加广泛;凸岸区纵向流速和横向流速均大于凹岸区,墩前流速和墩后流速明显降低,墩侧流速明显增大。