串列三圓柱橋墩間距與交角對(duì)水流的偏導(dǎo)作用

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué) 河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056038；3.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北分局，河北 石家莊 050035)

橋梁建設(shè)是常見的涉河建設(shè)內(nèi)容，橋梁是兩岸物質(zhì)運(yùn)輸、人員流動(dòng)的重要載體，同時(shí)橋梁建設(shè)對(duì)河流的擾動(dòng)影響著河流的度汛安全[1-2]。我國《防洪法》第二十七條中規(guī)定涉河項(xiàng)目建設(shè)應(yīng)符合防洪標(biāo)準(zhǔn)，不得危害堤防安全、影響河勢(shì)穩(wěn)定、妨礙行洪暢通等，在實(shí)際工程中橋梁橋墩繞流在多方面對(duì)河流的防洪安全有著復(fù)雜的影響[3-4]。在發(fā)生歷時(shí)洪水時(shí)，涉河橋梁對(duì)所在河段的防洪安全影響主要包括橋前壅水與水流經(jīng)過橋梁時(shí)橋墩繞流改變?cè)泻觿?shì)，主要體現(xiàn)在水力因素與泥沙因素[5]。就橋前壅水而言，國內(nèi)外已取得了諸多計(jì)算及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，在單圓柱與雙圓柱橋墩、橋河正交與斜交，單線、雙線以及多線橋梁布置工程條件下，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究并取得符合相應(yīng)工程條件的計(jì)算公式及計(jì)算方法[6-11]。在橋墩繞流方面，由橋墩對(duì)水流的擾動(dòng)改變河流原有的河勢(shì)，對(duì)下游防洪安全產(chǎn)生諸多不可控因素，當(dāng)橋河斜交時(shí)相對(duì)使下游橋孔的平均流速比同跨類型正交橋增大10%～15%，在計(jì)算橋墩基礎(chǔ)埋深時(shí)應(yīng)將設(shè)計(jì)流速增大10%～15%[12]。同時(shí),由于相鄰橋墩間的壓縮作用使水流向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，對(duì)河流行洪不利。在斜交角度小于60°時(shí)，李付軍等[13]建立的偏角公式與試驗(yàn)資料吻合較好。在一組橋墩含多個(gè)橋墩串聯(lián)時(shí)，對(duì)水流的導(dǎo)流作用及合適布置形式尚未有明確結(jié)論。對(duì)于一般的實(shí)際工程水力學(xué)問題，通常采用實(shí)體物理模型試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)仿真數(shù)值計(jì)算兩種方法。實(shí)體物理模型的傳統(tǒng)水力學(xué)試驗(yàn)，其受場地、人力、造價(jià)等因素影響，具有不便性和研究周期較長等缺點(diǎn)。數(shù)值方法具有不受場地影響，更加方便快捷等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過前人不斷完善流體力學(xué)及計(jì)算水力學(xué)的基本理論，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算性能的提高，以及大量的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，得到了很多適用于水力學(xué)湍流計(jì)算模型及實(shí)際工程的計(jì)算軟件。MIKE21 HD中水動(dòng)力學(xué)模塊適用于河流水力學(xué)計(jì)算[14]。HEC-RAS常用于工程水面線的計(jì)算，鄧顯羽等[15]運(yùn)用該軟件對(duì)密江特大橋進(jìn)行了防洪評(píng)價(jià)。FLUENT 是目前應(yīng)用比較廣泛的流體力學(xué)商業(yè)計(jì)算軟件。何國建等[16]基于FLUENT軟件運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行了橋墩群河道水流的三維數(shù)值分析。本文基于FLUENT軟件，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型模擬了串聯(lián)三圓柱形橋墩在順直來流條件下的繞流流場，分析了單組串聯(lián)三圓柱橋墩在橋墩串聯(lián)軸線與水流夾角和不同橋墩間距不同排列組合作用下，對(duì)水流偏導(dǎo)作用的機(jī)理及由于繞流尾跡偏轉(zhuǎn)致使橋墩下游漩渦阻力分布不均對(duì)水流偏導(dǎo)的作用程度。

1 數(shù)值方法

1.1 計(jì)算工況

為了探究串聯(lián)圓柱形橋墩對(duì)水流的導(dǎo)流作用及不同布置條件下對(duì)水流的導(dǎo)流程度，取串聯(lián)圓柱橋墩串聯(lián)軸線與水流夾角和相鄰圓柱橋墩間距兩個(gè)控制因素，進(jìn)行排列組合進(jìn)行多種工況模擬分析。在初始流速分別為0.5m/s和1.0m/s兩種來流條件下,對(duì)圓柱圓心間距L與直徑D比分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，橋墩串聯(lián)軸線與夾角分別為5°、10°、15°、20°、25°、30°組合工況進(jìn)行模擬研究。每組流量30種工況，共計(jì)60組。具體尺寸以及角度組合的模擬工況見表1。

表1 模擬計(jì)算工況

1.2 模型建立

為了建立更加有效合理的計(jì)算區(qū)域模型，整個(gè)計(jì)算域模型以單個(gè)繞流圓柱橋墩直徑為單位，直徑D為2m。模擬水道長300D，寬20D，繞流橋墩直徑為1D，其中間圓柱中心距左側(cè)進(jìn)口100D，串聯(lián)三圓柱形橋墩布置以中間圓柱為中心并按中心對(duì)稱排列(見圖1)。

圖1 二維計(jì)算水槽模型

1.3 網(wǎng)格劃分

采用三角形網(wǎng)格對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行劃分，為提高計(jì)算精度同時(shí)兼顧計(jì)算效率，圓柱向四周由密變疏，網(wǎng)格尺寸增長率為1.05，見圖2。同時(shí)為了進(jìn)一步提高圓柱繞流邊界層的計(jì)算精度和仿真真實(shí)性，對(duì)圓柱周圍重新劃分網(wǎng)格，采用矩形網(wǎng)格，由邊界向四周的網(wǎng)格尺寸增長率為1.1(見圖3)。

圖2 整體計(jì)算網(wǎng)格

圖3 圓柱邊界局部網(wǎng)格

1.4 計(jì)算湍流模型

在計(jì)算流體力學(xué)方面，經(jīng)過前人的不斷探索改進(jìn)已有不少成熟的湍流計(jì)算模型，本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算。在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中輸運(yùn)方程為

Gk+Gb-ρε-YM+SK

(1)

(2)

湍流耗散率計(jì)算如下:

式中：Gk為平均速度的湍動(dòng)能生成率；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能；C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)；σk、σε為有關(guān)湍流的普朗特?cái)?shù)。

2 模型驗(yàn)證

2.1 繞流水力特性驗(yàn)證

繞流阻力系數(shù)對(duì)比見表2。將雷諾數(shù)Re=2×104對(duì)單圓柱繞流阻力系數(shù)與前人的研究成果進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果表明本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[17]、[18]數(shù)據(jù)吻合很好。

表2 繞流阻力系數(shù)對(duì)比

2.2 繞流流場結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

對(duì)比文獻(xiàn)[19]通過物理水槽模型試驗(yàn)對(duì)單圓柱橋墩繞流所得結(jié)果，本文所得橋墩繞流流場結(jié)構(gòu)(見圖4)與物理試驗(yàn)結(jié)果流場結(jié)構(gòu)在尾跡擺動(dòng)、渦體分布規(guī)律上相似。

綜上，本文建立的數(shù)學(xué)方法得到了合理的數(shù)值解，滿足計(jì)算求解需要。

圖4 單圓柱繞流尾跡

3 結(jié)果分析

3.1 繞流局部流場結(jié)構(gòu)

當(dāng)液體流經(jīng)圓柱體表面時(shí)，所受的阻力有兩種：一是作用在圓柱表面的摩擦阻力，二是漩渦發(fā)生引起的漩渦阻力。串聯(lián)多圓柱串聯(lián)軸線與水流方向成一定夾角時(shí)，由于串聯(lián)圓柱形成類似導(dǎo)流墻，對(duì)水流具有偏折作用。由圖5可以看出，在圓柱橋墩間，因橋墩間對(duì)水流相互壓縮作用，圓柱繞流尾跡向左側(cè)偏轉(zhuǎn)，致使因漩渦產(chǎn)生的漩渦阻力主要集中左側(cè)，在串聯(lián)圓柱左側(cè)形成高阻低流速區(qū)，過流能力驟減，河流主要過流向另一側(cè)集中。因此，圓柱對(duì)水流的偏導(dǎo)作用主要由兩方面組成：一是串聯(lián)多圓柱成一定角度時(shí)形成類似導(dǎo)流墻對(duì)水流的折射作用；二是前方圓柱后的回流區(qū)受后方圓柱的壓縮作用偏向一側(cè)，使漩渦阻力向一側(cè)集中，增大動(dòng)能損失減小過流流量。

圖5 串聯(lián)三圓柱繞流局部流速矢量

3.2 尾跡偏轉(zhuǎn)

在順直水流條件下，單圓柱的繞流漩渦阻力在圓柱后部，圓柱后部的脫落渦對(duì)稱分布或左右交替對(duì)稱。在串聯(lián)多圓柱時(shí)，由于圓柱間對(duì)繞流邊界水流的壓縮作用，串聯(lián)軸線與水流成一定夾角會(huì)使圓柱后部的尾跡回流區(qū)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，漩渦阻力向一側(cè)集中，如圖5為漩渦阻力區(qū)，水流因漩渦阻力造成的動(dòng)能損失增大，使過流能力減小。由于橋墩間的壓縮作用對(duì)水流的壓縮影響，圓柱繞流分離點(diǎn)左右呈不對(duì)稱分布，水流受偏導(dǎo)作用使圓柱后尾跡回流區(qū)偏向一側(cè)。定義左右分離點(diǎn)連線的法向方向與水流方向夾角為繞流尾跡偏轉(zhuǎn)角度β。

3.2.1 第一根橋墩繞流尾跡偏角β1

水流過第一橋墩向兩側(cè)均勻分流后，繞流尾跡受橋墩間壓縮影響，繞流尾跡向一側(cè)偏轉(zhuǎn)。繞流偏轉(zhuǎn)角度與橋墩串聯(lián)軸線與水流方向夾角呈正相關(guān)。在橋墩串聯(lián)軸線與水流方向夾角一定時(shí)，橋墩間距在2.0D～4.0D范圍內(nèi)，橋墩間距越小壓縮作用越明顯，偏角越大。根據(jù)模擬結(jié)果(見圖6)，在橋墩間距為4.0D時(shí)，偏角不超過2.5°。橋墩串聯(lián)軸線與水流方向夾角為5°時(shí)偏角不超過2°。此時(shí)繞流尾跡偏轉(zhuǎn)較小，水流受漩渦阻力分布不均引起的偏導(dǎo)作用較小。

圖6 第一根橋墩繞流尾跡偏角

3.2.2 第二根橋墩繞流尾跡偏角β2

相較于第一個(gè)橋墩，中間橋墩繞流受前后橋墩的兩方向壓縮作用，繞流尾跡偏角相較于前面橋墩繞流尾跡偏角明顯增大。由圖7可以看出，當(dāng)橋墩間距一定時(shí)，在橋墩串聯(lián)軸線與水流方向夾角在5°～16°范圍內(nèi)，繞流尾跡偏角隨橋墩串聯(lián)軸線與水流方向夾角正相關(guān)且增長迅速。在16°～30°范圍內(nèi)，橋墩間距為2.0D時(shí)，尾跡偏轉(zhuǎn)角度緩慢增長；橋墩間距為2.5D～4.0D時(shí)，串聯(lián)軸線與水流方向夾角在16°左右達(dá)到最大值，尾跡偏轉(zhuǎn)角度開始緩慢減小。另外，在夾角為5°時(shí)，尾跡偏角非常小，在5°～10°之間偏轉(zhuǎn)角增加明顯，在10°～15°時(shí)增長最為迅速。

圖7 第二根橋墩繞流尾跡偏角

當(dāng)串聯(lián)軸線與水流夾角一定時(shí)，在5°～13°范圍內(nèi)，繞流尾跡偏角與橋墩間距呈正相關(guān)；在13°～30°時(shí)，繞流尾跡偏角與橋墩間距呈負(fù)相關(guān)；夾角為13°時(shí)，在任一橋墩間距下，繞流尾跡偏角相等。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬進(jìn)行串聯(lián)三圓柱在橋墩間距2.0D～4.0D范圍內(nèi)，橋墩串聯(lián)軸線與水流夾角對(duì)水流偏導(dǎo)作用分析得出如下結(jié)論：

a.串聯(lián)多圓柱橋墩對(duì)水流的偏導(dǎo)作用主要表現(xiàn)在：串聯(lián)橋墩形成的類似導(dǎo)流墻對(duì)水流的反射作用和橋墩繞流尾跡受壓縮作用向一側(cè)偏轉(zhuǎn)使漩渦阻力向該側(cè)集中，致使水流動(dòng)能損失增大，過流能力降低。

b.第一個(gè)橋墩尾跡偏角與橋墩串聯(lián)線和水流夾角呈正相關(guān)，與橋墩間距負(fù)相關(guān)。

c.第二個(gè)橋墩尾跡偏角在橋墩間距2.5D～4.0D范圍內(nèi)，偏角隨橋墩串聯(lián)線和水流夾角先增大后減小。在橋墩串聯(lián)線和水流夾角在5°～13°范圍內(nèi)偏角與橋墩間距正相關(guān)，在13°～30°范圍內(nèi)負(fù)相關(guān)。

本文利用FLUENT軟件對(duì)串列三圓柱橋墩在不同橋墩間距以及不同串列軸線與水流方向夾角組合工況進(jìn)行模擬研究。根據(jù)模擬結(jié)果，分析了串列三圓柱橋墩對(duì)水流的偏導(dǎo)作用，為涉河橋梁工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)以及河道防洪提供參考。