| 标题 | 桥梁桩基绕流流速分布规律 |
| 范文 | 刘鸿 摘要：为了研究大直径桥梁桩基础对水流的影响规律，采用计算流体力学（CFD）技术，计算分析桥梁桩基础引起的尾流流速分布及变化规律。结果表明：对于第1排桩基尾流流速分布，桩基中央区域及外缘的最大流速从C1到C2断面变化幅度最大，对于第2排桩基尾流流速分布，当桩基间距为2D时，随着沿程的增加，横向分布曲线逐渐变窄，并向w形分布过度，到C7断面时分布曲线由w形分布向U形分布转变，尾流最小流速较其它排列方式的最小流速还小；当桩基间距为3D 、4D时，分布曲线从C6到C7断面逐渐由窄变宽，桩基中央区域及桩基外缘的峰值流速逐渐降低，尾流最小流速逐渐增大，断面流速差值逐渐缩小，但仍未恢复到无桩时的状态。 关键词：桥梁桩基础；计算流体力学（CFD）技术；桩基间距；尾流流速；分布规律 中图分类号：U641.2文献标志码：A文章编号： 16721683（2015）002002604 近30年来，在国内外桥梁工程中，由于大直径钢管桩、大直径钻孔灌注桩基础具有较大的刚度和较高的承载能力，加之施工工艺的发展，特别是由于大型机具设备在基础施工中不断应用，大直径桩基础被广泛应用于铁路、公路等行业的桥梁基础工程中[1]。然而对不同结构形式桩基对水流流态[2]、桩基周围冲刷问题[3]的影响规律以及冲刷对桩基水平承载性能影响[4]的研究及其相关设计理论还不很成熟，且严重滞后于工程应用。因此，开展相关研究对如何科学合理的布置和设计桥梁桩基础、科学评价桥梁桩基对行洪影响具有重要实际意义。 目前国内外在桥梁桩基础引起的尾流流速分布及变化规律理论及试验方面研究得很少，高洋洋[5]对多柱体静止绕流及涡激振动现象进行了数值模拟，得到了尾流形态、旋涡脱落频率、升力系数及振幅与柱体直径、排列方式有关的结论。陈小莉[6]对桥墩局部冲刷过程中不同冲刷深度时的流场进行了数值模拟，揭示了紊动随冲刷发展过程的变化。郑薇薇[7]采用局部物理模型实验的方法对单桩绕流进行研究，得到了垂线流速呈S型分布、横向流速分布呈波浪状、波及面宽度与桩柱排列方式有关的结论。毕继红[8]利用层流和SST湍流模型对圆柱绕流现象进行了模拟分析，得到了圆柱的斯托罗哈数、阻力系数随雷诺数的变化规律。龚志军[9]采用格子Boltzmann方法对并列双圆柱的绕流现象进行了模拟分析，得到了回流区长度随雷诺数增大而先增大后减小、回流区长度随间距比增大而增大的结论。阴白洁[10]对黏性流体中两物体相互靠近时的水动力特性进行了研究，得到了阻力系数随来流速度和靠近速度增大而增大、随间隙比减小而增大及的结论。麻伟巍[11]利用快速傅里叶变换（FFT）等方法分别对尾流场脉动速度的雷诺应力、扩散项、压力应变率、耗散项、生成项进行分析，研究了不同项在尾流场中的作用，得到了尾流场的能量分布。纪雪林[12]利用流体力学和复变函数理论进行理论分析，得到了椭圆柱绕流的势函数和流函数。蒋仁杰[13]釆用格子Boltzmann方法对弹性支撑圆柱体的涡激振动及Poiseuille流致柱体振动两种动力学模型进行了研究，得到升力系数的分布对管道内静止单圆柱的运动模态起着决定性的作用、管道内并列双圆柱的振动形态主要取决于阻塞率、圆柱间距对管道内串列双圆柱运动与流体流动有重要影响的结论。陈静涛[14]利用可实现kε模型、SST kω模型和雷诺应力模型对圆柱绕流进行湍流数值模拟，得到前两种模型的预测能力很好、第三种模型预测能力较差的结论。韩兆龙[15]利用谱单元方法对不同间距下的两圆柱和四圆柱绕流进行数值模拟，得到平均升阻力系数和斯托罗哈数随间距比变化的规律。 本文采用计算流体力学（CFD）技术，对梁桩基础引起水流的尾流流速分布及变化规律研究。 1桥梁桩基二维绕流的数值模拟 1.1计算区域、边界条件及分析方法 对桥梁桩基进行二维绕流数值模拟时，桩基采用圆柱模拟，桩基直径D=2 m，分2排布置，排距L，每排2个桩，桩间距为T。选取（T +12D）×（L+26D） 大小的计算区域，第1排桩基到入口的距离为6D，第2排桩基到出口的距离为20D，第1、2列桩基到上下边界的距离均为6D，见图 1。为了分析桥梁桩基在不同排列方式条件下对尾流流速分布及变化规律，分别就T=L=2D、3D、4D情况下的尾流流速分布及变化规律进行数值模拟。 边界条件为：进口处为速度入口边界条件，取流速U=7 m/s，出口处为自由出流边界条件，上下边界为对称壁面条件，桩基表面为无滑移壁面条件。 湍流模型采用标准kω模型，近壁处理采用标准壁面函数方法。 图1桥梁桩基平面布置图 1.2流速观测断面布置 流速观测断面布置如下：沿程共设7个断面，其中，C1断面位于第1排桩基的后缘，即x=13 m处，C2断面位于群桩y方向对称线上，即x=（12+L/2）m处，C3断面位于第2排桩基的前缘，x坐标分别为15 m、17 m、19 m，C4断面位于第2排桩基的后缘，x坐标分别为17 m、19 m、21 m，C5断面与C4断面相距2 m，x坐标分别为19、21、23，C6断面与C4断面相距6 m，x坐标分别为23 m、25 m、27 m，C7断面与C4断面相距16 m，x坐标分别为33 m、35 m、37 m，观测断面布置见图2。 图2模型水平面断面布置示意图 2计算结果分析 图3为C1断面流速沿横向分布。由于水流受横向排列间距的影响，当断面刚好位于第1排桩基的后缘时流速减小，这是由于水流绕过桩柱时在其后产生了漩涡区，消耗了大量动能，也使得流速减小，当桩基排列间距为4 m时，回流区长度185 m，当y在[1133 1242]、[1532 1654]范围内，出现了回流，最大回流速度分别为-114 m/s、-159 m/s；在桩基外缘，当y=962 m、1384 m时，最大流速分别为883 m/s、935 m/s，在桩基中央区域，当y=1384 m时，最大流速为935 m/s。当桩基排列间距为6 m时，回流区长度255 m，当y在[1144 1250]、[1744 1850]范围内，出现了回流，最大回流速度分别为-091 m/s、-046 m/s；在桩基外缘，当y=10 m、20 m时，最大流速分别为850 m/s、861 m/s，当y=14 m时，桩基中央区域的最大流速为897 m/s。当桩基排列间距为8 m时，回流区长度2 m，当y在[1133 1242]、[19.32 20.42]范围内，出现了回流，最大回流速度分别为-133 m/s、-152 m/s；在桩基外缘，当y=997m、2193 m时，最大流速分别为855 m/s、840 m/s，当y=1366 m时，桩基中央区域的最大流速为869 m/s。在河道中央布置桩基础后，使得断面流速重新分布，根据流体运动的连续性方程，布置桩基础后，使得桩基区域所在过流断面减小，桩基中央区域的流速比来流速度增大，同时因为桩基边界层的存在，尾迹速度由小到大，并逐渐趋于自由流速度，在桩基外缘到对称边界，断面流速逐渐减小。 [JP2]图4为C2断面流速沿横向分布。当桩基排列间距为4 m时，[JP]当y在[1132 1197]、[1603 1636]范围内，出现了回流，最大回流速度分别为-160 m/s、-153 m/s；在桩基外缘，当y=898 m、1854 m时，最大流速分别为867 m/s、863 m/s， 当y=1407 m时，桩基中央区域的最大流速为857 m/s。当桩基排列间距为6 m时，当y在[1170 1218]、[18 1818]范围内，出现了回流，最大回流速度分别为-075 m/s、-061 m/s；在桩基外缘，当y=908 m、2103 m时，最大流速分别为835 m/s、828 m/s，当y=1509 m时，桩基中央区域的最大流速为859 m/s。当桩基排列间距为8 m时，由于C2断面不在漩涡区范围，流速的方向与来流方向一致，当y=[JP2]1197、2003 m时，最小流速分别为149 m/s、145 m/s；在桩基外缘，当y=90 m、2302 m时，最大流速分别为790 m/s、781 m/s，当y=1600 m时，桩基中央区域的最大流速为811 m/s。[JP] 将图3、图4对比，横向分布曲线逐渐变窄，对于桩基排列间距4 m、6 m、8 m，与C1断面相比，由于过流断面增大，C2断面桩基中央区域的最大流速分别降低078 m/s、038 m/s、058 m/s，[JP2]桩基外缘流速的最大降幅分别为072 m/s、033 m/s、065 m/s。[JP] 图5为C3断面流速沿横向分布。此时，断面位于第2排桩基的前驻点位置，同时位于第1排桩基的后方，由于水流绕过第1排桩基时在其后产生了漩涡区，消耗了大量动能，使得流速减小，分布曲线仍趋于w形分布。当桩基排列间距为4 m时，且y在[1164 1212]、[1580 1612]范围内，出现了回流，最大回流速度分别为-020 m/s、002 m/s；在桩基外缘，当y=910 m、1906 m时，最大流速分别为875、872 m/s，当y=1388 m时，桩基中央区域的最大流速为867 m/s。当桩基排列间距为6 m时，当y=12 m、18 m时，在[1170 1218]、[18 1818]范围内，出现了回流，最小流速分别为0、0 m/s分别代表第2排桩基的驻点速度；在桩基外缘，当y=902 m、2100 m时，最小流速分别为845 m/s、842 m/s，当y=1501 m时，桩基中央区域的最大流速为880 m/s。当桩基排列间距为8 m时，由于C3断面不在漩涡区范围，来流流速的方向与来流方向一致，当y=12、20 m时，最小流速分别为0 m/s分别代表第2排桩基的驻点速度；在桩基外缘，当y=898 m、2302 m时，最大流速分别为811 m/s、805 m/s，当y=1608 m时，桩基中央区域的最大流速为842 m/s。 图5C3断面流速沿横向分布 将图4、图5对比，对于桩基排列间距4 m、6 m、8 m，与C2断面相比，由于过流断面减小，C3断面桩基中央区域的最大流速分别增加010 m/s、021 m/s、031 m/s，桩基外缘流速的最大流速增幅分别为012 m/s、021 m/s、031 m/s，因此，从C1断面到C2、C3断面，桩基中央区域的最大流速、桩基外缘最大流速变化幅度最大的是从C1断面到C2断面的变化幅值。 图6为C4断面流速沿横向分布，此时，断面位于第2排桩基的后缘，流速减小，当桩基排列间距为4 m时，回流区长度162 m，当y在[1133 1242]、[1546 1642]范围内，出现了回流，最大回流速度分别为-085 m/s、-077 m/s；在桩基外缘，当y=897 m、1909 m时，最大流速分别为877 m/s、873 m/s，当y=1386 m时，桩基中央区域的最大流速为874 m/s。当桩基排列间距为6 m时，回流区长度156 m，当y=12 m、18 m时，在[1168 1232]、[1768 1832]范围内，出现了回流，最大回流速度分别为-013 m/s、-012 m/s；在桩基外缘，当y=900 m、2118 m时，最大流速分别为846 m/s、846 m/s，当y=1496 m时，桩基中央区域的最大流速为903 m/s。当桩基排列间距为8 m时，回流区长度117 m，当y在[1168 1232]、[1968 2032]范围内，出现了回流，最大回流速度分别为-012 m/s、-013 m/s；在桩基外缘，当y=910 m、2308 m时，最大流速分别为823 m/s、818 m/s，当y=1597 m时，桩基中央区域的最大流速为862 m/s。 图6C4断面流速沿横向分布 将图3、图6横向分布曲线对比，分布曲线逐渐变窄，并趋于w形分布，对于桩基排列间距4 m、6 m、8 m，桩基中央区域的最大流速分别降低078 m/s、038 m/s、058 m/s，桩基外缘流速的最大降幅分别为062 m/s、015 m/s、032 m/s，回流速度分别降低082 m/s、078 m/s、139 m/s。 与第1排桩基相比，第2排桩基的来流速度较小，特别当桩基排列间距为4 m、6 m时，第2排桩基的前缘甚至在回流区域，加之第2排桩基边界层内流动的发展，致使C4断面流速大为减小。 图7为C5断面流速沿横向分布，由于水流离开了第2排桩基的漩涡区，当桩基排列间距为4 m时，当y=1199 m、1590 m时，尾流最小流速分别为077 m/s、036 m/s；在桩基外缘，当y=805 m、1905 m时，最大流速分别为848 m/s、837 m/s，当y=1383 m时，桩基中央区域的最大流速为720 m/s。当桩基排列间距为6 m时，当y=1194 m、1812 m时，尾流最小流速分别为047 m/s、055 m/s，在桩基外缘，当y=80 m、2206 m时，最大流速分别为824 m/s、818 m/s，当y=1508 m时，桩基中央区域的最大流速为846 m/s。当桩基排列间距为8 m时，由于C5断面不在漩涡区范围，流速的方向与来流方向一致，当y=1194 m、2011 m时，尾流最小流速分别为119 m/s、123 m/s；在桩基外缘，当y=796 m、2405 m时，最大流速分别为806 m/s、797 m/s，当y=1600 m时，桩基中央区域的最大流速为829 m/s；分布曲线变窄，趋于w形分布。 [FK（W] 图7C5断面流速沿横向分布 [FK）] 对比图6、图7，流速横向分布曲线逐渐变窄，并趋于w形分布，对于桩基排列间距4 m、6 m、8 m，桩基中央区域的最大流速分别降低154 m/s、057 m/s、033 m/s，桩基外缘流速的最大降幅分别为036 m/s、028 m/s、021 m/s，图6存在回流速度，图7断面已离开回流区，流速为正。 图8、图9为C6、C7[JP+1]断面流速沿横向分布，对比图8、图9，断面流速沿横向分布规律与桥梁桩基的排列方式有关。当桩基间距为 2D时，尾流最小流速较其它排列方式的最小流速还小，分布曲线由w形分布向U形分布转变，当桩基间距为3D、4D时，分布曲线从C6到C7断面逐渐由窄变宽，桩基中央区域及桩基外缘的峰值逐渐降低，尾流最小流速逐渐增大，断面流速差值逐渐缩小，但仍未恢复到无桩时的状态。 3结论 （1）对于第1排桩基尾流流速分布，由于水流绕过桩柱时在其后产生了漩涡区，消耗了大量动能，也使得流速减小，漩涡区的尺度大小与桩基排列间距有关，当桩基排列间距为4 m、6 m时，从C1至C3断面均在漩涡区范围，当桩基排列间距为8 m时，仅C1断面在漩涡区范围内，到C2断面时已不在漩涡区范围，C2断面流速的方向与来流方向一致，最小流速分别为149 m/s、145 m/s。 （2）对于第2排桩基尾流流速分布，[JP2]断面流速沿横向分布规律与桥梁桩基的排列方式有关，当桩基间距为8 m时，回流区长度最小；当桩基间距为4 m时，尾流分布曲线从C6到C7断面由w形分布向U形分布转变，当桩基间距为6 m、8 m时，尾流分布曲线的峰值随沿程断面逐渐降低，最小流速随沿程增加逐渐恢复到来流速度，[JP]断面流速变化幅度逐渐缩小。[HJ1.6mm] 参考文献： [1]宋贵峰.近十年桥梁基础工程的发展[J].中南公路工程，1993，1：5761. [2]杨娟，王卫远，何倩倩，等.海上不同结构形式桩基对水流的影响[J].水利水电科技进展，2014，34（1）：3236. [3]严建科，焦臣，龙涛，等.单圆柱桥墩绕流流场试验研究[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版版，2012，44（6）：779785. [4]汤虎.冲刷对海洋平台桩基水平承载性能影响的研究[D].武汉理工大学，2012. [5]高洋洋.多柱体系统静止绕流与涡激振动的试验及数值研究[D].青岛：中国海洋大学，2011. [6]陈小莉.局部绕流冲刷机理及数值模拟研究[D].北京：清华大学，2008. [7]郑薇薇.不同排列桩群对水流特性影响的试验研究[D].邯郸：河北工程大学，2009. [8]毕继红，余化军，任洪鹏.静止方柱和圆柱绕流的二维数值分析[J].三峡大学学报：自然科学版，2012，34（1）：4145. [9]龚志军，杨佼，武文斐，等.并列双柱绕流的格子Boltzmann模拟[J].水电能源科学，2013，31（11）：117120.[ZK）] [10][ZK（#]阴白洁，袁德奎，杨志斌.流体中相互靠近两圆柱的水动力特性数值研究[J].水动力学研究与进展，2014，29（1）：5966. [11]麻伟巍，蒋运幸，余宇轩.双圆柱绕流的数值模拟[J].复旦学报：自然科学版，2013，52（5）：592600. [12]纪雪林，田振国，郝亚娟，等.椭圆柱绕流的理论研究[J].燕山大学学报，2014，38（1）：8994. [13]蒋仁杰.圆柱绕流场涡致柱体振动的研究[D].杭州：浙江大学，2013. [14]陈静涛.圆柱绕流的二维数值模拟和尾迹分析[J].计算机辅助工程，2013，22（6）：16，27. [15]韩兆龙，周岱，陈亚楠，等.谱单元法及其在多圆柱绕流分析中的应用[J].空气动力学学报，2014，32（1）：2129，37. |
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