不對(duì)稱(chēng)臺(tái)階地形下墩柱流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬

不對(duì)稱(chēng)臺(tái)階地形下墩柱流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬

在沿海地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電的支柱基礎(chǔ)和海上橋梁的橋墩屬于柱狀結(jié)構(gòu)。墩柱周?chē)黧w的渦漩運(yùn)動(dòng)對(duì)其附近的床面局部沖刷、船舶航行等有很大的影響,危及建筑物穩(wěn)定和行船安全。近年來(lái),許多學(xué)者對(duì)波浪和墩柱之間的相互作用進(jìn)行了大量細(xì)致的研究工作。HDjerid等利用LDV和PIV技術(shù)研究了高雷諾數(shù)情況下墩柱附近的紊動(dòng)特性。Wei等運(yùn)用PIV研究了正弦曲線圓柱后的三維尾流特性。戴光清等研究了圓柱振蕩流中的斜向渦街,利用粒子成像測(cè)速儀(DPIV),對(duì)圓柱體在靜水中作正弦振動(dòng)產(chǎn)生的振蕩流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究。田偉平和張華慶等人則通過(guò)流動(dòng)顯示技術(shù),研究了墩前角區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu),得到了馬蹄渦強(qiáng)度變化與流場(chǎng)參數(shù)的關(guān)系?？讘椑椎然贐oussinesq方程的波浪數(shù)學(xué)模型模擬了淺水區(qū)域墩柱群周?chē)牟ɡ俗冃巍＠钣癯珊椭芤嫒说壤貌ɡ藦浬㈥P(guān)系迭代計(jì)算得到波向與流向的夾角,并采用有限元法求解緩坡方程,研究了緩變地形和斜交定常流場(chǎng)共同影響下大尺度圓柱周?chē)牟鲌?chǎng)情況。陸夕云、Hara和Mei等通過(guò)數(shù)值求解三維Navier-Stokes方程,分析了圓柱振蕩繞流的三維不穩(wěn)定性及其三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。目前波浪作用下墩柱繞流結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究還比較欠缺,特別是近岸淺化后的波浪與墩柱相互作用方面的研究,但現(xiàn)實(shí)中墩柱大多修建在近岸區(qū),利用Flow-3D軟件,二次開(kāi)發(fā)建立三維波浪數(shù)值水槽,研究淺化波浪作用下墩柱周?chē)髁鲃?dòng)特性。1數(shù)學(xué)模型1.1流體密度與加速度連續(xù)性方程和動(dòng)量方程中含有體積和面積分?jǐn)?shù)參數(shù),具體表達(dá)式:連續(xù)性方程:??x(uAx)+??y(uAy)+??z(uAz)=0(1)??x(uAx)+??y(uAy)+??z(uAz)=0(1)動(dòng)量方程:????????????u?t+1VF{uAx?u?x+vAy?u?y+wAz?u?z}=?1ρ?p?x+Gx+fx?v?t+1VF{uAx?v?x+vAy?v?y+wAz?v?z}=?1ρ?p?y+Gy+fy?w?t+1VF{uAx?w?x+vAy?w?y+wAz?w?z}=?1ρ?p?z+Gz+fz(2){?u?t+1VF{uAx?u?x+vAy?u?y+wAz?u?z}=-1ρ?p?x+Gx+fx?v?t+1VF{uAx?v?x+vAy?v?y+wAz?v?z}=-1ρ?p?y+Gy+fy?w?t+1VF{uAx?w?x+vAy?w?y+wAz?w?z}=-1ρ?p?z+Gz+fz(2)式中:ρ為流體密度;VF是可流動(dòng)的體積分?jǐn)?shù);Ax、Ay、Az分別代表著x、y、z三個(gè)方向可流動(dòng)的面積分?jǐn)?shù);u、v、w為對(duì)應(yīng)x、y、z的速度分量;Gx、Gy、Gz為物體在x、y、z三個(gè)方向上的重力加速度;fx、fy、fz為物體在x、y、z三個(gè)方向上的粘滯力加速度。采用重整化群(RNGκ-ε)紊流模型,并運(yùn)用FAVOR技術(shù),能夠較好的模擬復(fù)雜邊界情況。1.2斜截面及網(wǎng)格劃分計(jì)算工況參照波浪作用下墩柱周?chē)植繘_刷機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究,計(jì)算域取50m×1.5m×1.0m,水槽水深為0.6m。造波邊界設(shè)置在水槽左側(cè),水槽前后兩側(cè)及頂面設(shè)為對(duì)稱(chēng)邊界,底面設(shè)為固壁邊界,右邊界設(shè)置為出流邊界疊加斜坡孔隙結(jié)構(gòu)。斜坡孔隙結(jié)構(gòu)中孔隙率為0.8,粒徑為0.1m,坡比為1∶3,孔隙結(jié)構(gòu)后面水域?qū)挾葹?.0m。由于波面附近物理量變化比較劇烈,所以在波面變化范圍內(nèi)加密網(wǎng)格。為了更好的研究墩柱周?chē)畡?dòng)力特性,在以墩柱為中心向迎水、背水、左側(cè)和右側(cè)的0.3m范圍內(nèi)加密網(wǎng)格,加密后網(wǎng)格長(zhǎng)度為2cm,保證了X-Z平面上的最大網(wǎng)格和最小網(wǎng)格比值在5倍以下(如圖1)。網(wǎng)格劃分為424×40×36,總網(wǎng)格數(shù)為61.06萬(wàn)個(gè)。1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論為了驗(yàn)證建立的數(shù)值波浪水槽的可靠性,采用王珍的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證資料。其水槽試驗(yàn)中圓柱的直徑D為16cm,高1.2m。布置如圖2所示,臺(tái)階地形總長(zhǎng)度為17.4m,高0.32m,前坡長(zhǎng)6.4m,坡度為1/20,后坡長(zhǎng)1.0m,坡度為1/3.2,中間平臺(tái)段長(zhǎng)10.0m,墩柱固定在中間平臺(tái)段中心處。波高0.17m,周期1.7s,波速2.18m/s,波長(zhǎng)4.36m。從圖3中可以看出實(shí)測(cè)和計(jì)算的波高數(shù)據(jù)吻合較好,尤其是在斜坡中圖(3(b))和斜坡頂圖(3(c))處,表明利用此模型研究墩柱周?chē)鲌?chǎng)特性的可靠程度。圖4是選取墩柱前一點(diǎn)實(shí)測(cè)流速和計(jì)算流速比較圖(d=6.8cm)。從圖4中可以看出,實(shí)測(cè)流速和計(jì)算流速吻合較好,通過(guò)對(duì)水平流速圖(4(a))可知兩者相差最大值為0.15m,最小值為0.01m,而比較橫向流速圖(4(b))得出兩者相差最大值為0.12m,最小值為0.008m。從驗(yàn)證的結(jié)果來(lái)看,采用的數(shù)值波浪水槽是合理的,同時(shí)也表明所建立的數(shù)值波浪水槽可以用于各種波浪情況下的數(shù)值模擬。2計(jì)算和結(jié)果分析2.1模型參數(shù)選用圓柱柱徑D為16cm,結(jié)合7種不同波浪情況進(jìn)行數(shù)值模擬。表1是7種波況的相關(guān)參數(shù)。2.2波浪傳播的引導(dǎo)圖5給出波況B的一個(gè)周期來(lái)研究墩柱附近的表面流場(chǎng)(d=15cm)。從圖5中可以看出在波浪從左向右傳播過(guò)程中,水質(zhì)點(diǎn)做往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)。當(dāng)波浪水質(zhì)點(diǎn)受到反射作用以較大的流速?gòu)挠蚁蜃筮\(yùn)動(dòng)時(shí),與下一周期的一個(gè)波浪相遇,水流在墩柱迎水面形成渦旋特征不明顯的漩渦,并很快被反向運(yùn)動(dòng)的水流沖散。隨后水質(zhì)點(diǎn)與回流在墩柱背水面相遇,形成較為明顯的對(duì)稱(chēng)漩渦,新發(fā)展的漩渦很快又被回流沖散,進(jìn)而進(jìn)入下一個(gè)震蕩周期,而波浪在臺(tái)階地形傳播的過(guò)程中墩柱的迎水面沒(méi)有明顯的渦動(dòng)結(jié)構(gòu)。2.3東墩柱的表面典型東旋回回回波的特征,c圖6給出了一個(gè)周期內(nèi)軸向渦量的三維等值面圖(波況B)。圖中高渦量成對(duì)稱(chēng)狀聚集在墩柱的背水面,少許聚集在迎水面,表面渦量較大,在向底部延伸的過(guò)程中不斷減小。在墩柱背水面形成了一對(duì)渦對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦結(jié)構(gòu)。在t=3π/4和t=π時(shí)刻,墩柱的迎水面出現(xiàn)許多小的渦結(jié)構(gòu),這是波峰水質(zhì)點(diǎn)與回流相互作用的結(jié)果。而在t=5π/4和t=3π/2時(shí)刻,由于波峰水質(zhì)點(diǎn)繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng),拖拽渦對(duì)結(jié)構(gòu)向后延伸,隨著回流的進(jìn)一步影響,渦對(duì)結(jié)構(gòu)逐漸萎縮。2.4ter參數(shù)和周期研究表明,近岸建筑物周?chē)哪嗌硾_刷程度和沖刷后的海底地形與建筑物的尺度有關(guān),在對(duì)海底管線、圓柱或防波堤堤頭周?chē)嗌车臎_刷研究中發(fā)現(xiàn),沖刷情況與Keulegan-Carpenter參數(shù)(KC數(shù))有很大關(guān)系,KC數(shù)定義:KC=UmTDΚC=UmΤD式中:Um為水質(zhì)點(diǎn)橫向速度的最大值,T為波浪周期,D為管線、圓柱或防波堤堤頭的直徑。從表2中可以看出:波浪在臺(tái)階地形上的傳播過(guò)程中,周期對(duì)KC值的影響比波高的影響要明顯。在周期相同的波浪情況下,波高增大流速略微增大,KC值有所增大,如波況C、D和波況E、F(見(jiàn)表2)。而周期增大,不但周期自身增大并且導(dǎo)致流速增大。因而,周期變化對(duì)KC值的影響要比波高明顯的多。隨著KC值相應(yīng)增大,波浪在墩柱的周?chē)纬神R蹄形漩渦,這是引起墩柱周?chē)匦螞_刷的關(guān)鍵因素。2.5不同相位條件下流速場(chǎng)分布圖7給出計(jì)算參數(shù)H=0.17m、T=2.0s時(shí),一個(gè)周期內(nèi)墩柱正面、側(cè)面和背面的水平流速分布。選取距墩柱表面0.16m(一倍墩柱直徑距離)和0.32m(兩倍墩柱直徑距離)范圍,從墩柱正面、側(cè)面、背面研究不同相位時(shí)沿水深變化的水平流速分量。圖中虛線表示線上各點(diǎn)流速為零,h=0.28m,U0m=2.18m/s。從圖7中可以看出,在墩柱的作用下水流結(jié)構(gòu)比較紊亂,水質(zhì)點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。迎水面的水質(zhì)點(diǎn)在傳播的過(guò)程中由于受到墩柱的阻擋,流體表面水平方向流速變化劇烈,近底區(qū)域水平方向流速沿水深均勻變化,且有負(fù)值出現(xiàn);墩柱兩側(cè)的流體表面水平流速變化最為劇烈;背面區(qū)域在墩柱的掩護(hù)作用下,流體表面水平方向的流速變化不大。在墩柱的正面和側(cè)面出現(xiàn)了明顯的豎向環(huán)流,背水面則無(wú)明顯豎向環(huán)流。3規(guī)則波作用下墩柱局部特征基于Flow-3D建立三維數(shù)值波浪水槽,模擬波浪在非對(duì)稱(chēng)臺(tái)階地形上的傳播,通過(guò)多組次模擬計(jì)算,結(jié)果表明臺(tái)階地形上墩柱繞流屬于復(fù)雜的三維流態(tài)。波浪在臺(tái)階地形上傳播的過(guò)程中,墩柱迎水面沒(méi)有明顯的渦動(dòng)結(jié)構(gòu)。高渦量呈對(duì)稱(chēng)狀聚集在墩柱的背水面,少許聚集在迎水面,墩柱的背水面形成了一對(duì)渦對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦結(jié)構(gòu)。波浪在臺(tái)階地形上的傳播過(guò)程中,周期對(duì)KC值的影響比波高的影響要明顯。