橋墩水動力特性的PIV實驗研究

李維克多

摘 要：隨著我國經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展，橋梁的建設(shè)越發(fā)頻繁，橋墩是橋梁的主要支持物，其壽命直接影響橋梁的安全性和壽命，探索橋墩繞洗沖刷原理，尋求一種可減輕沖刷的方法，對橋梁的安全性及壽命有重大幫助。實驗通過用solidworks設(shè)計實驗用的橋墩模型，并用3D打印技術(shù)打印，利用piv技術(shù)觀測不同的沖洗速度，不同模型的水動力特性，并用taplot加以顯示。觀測到了在慢速和快速水流下不同模型的不同流場特性，橋墩的半徑對于減輕水流的沖刷力可以忽略不計，粗糙程度越可以減輕水流的沖刷力度。那進而建造橋梁時選用粗糙程度大的橋墩可以增加橋梁的安全性和壽命。

一、引言

水流經(jīng)過橋墩，會在橋墩的背流面形成復(fù)雜的三位流場，從而對橋體本身會進行沖刷，造成橋墩壽命減少，出現(xiàn)安全隱患，經(jīng)濟損失。改善橋墩結(jié)構(gòu)和材料，減輕橋墩沖刷的問題一直以來倍受國內(nèi)外學者的關(guān)注 。姚熊亮（2010）探究湍流模擬方法對三維圓柱繞流數(shù)值模擬精度的影響，分別采用雷諾平均法（RANS）中的κ-ω模型、SST模型以及大渦模擬法（LES）對亞臨界區(qū)內(nèi)雷諾數(shù)Re=3 900時的三維圓柱繞流進行數(shù)值計算，分析了圓柱體表面的受力、圓柱后流場時均速度特性與瞬時渦量分布情況。[1]李悅等人在（2010）在Morison動水理論的基礎(chǔ)上提出了一種適用于深水大跨徑斜拉橋動力時程反應(yīng)分析的動水力簡便計算方法，并應(yīng)用于南京長江第三大橋，分析了動水對斜拉橋結(jié)構(gòu)的動力特性和地震反應(yīng)的影響。[2]張曉月（2012）等人以廈蓉線水都高速公路T梁橋高墩合理結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)用研究為依托，大量收集國內(nèi)外已建高墩的橋墩類型、造型特點、應(yīng)用橋型等，按不同高度等級對高墩分類，分析各個高度區(qū)間橋墩選型特點、適宜墩形、經(jīng)濟性等，從而為之后的研究工作的合理性驗證提供依據(jù)。[3]觀察以上實驗研究發(fā)現(xiàn)，他們的結(jié)論都是與改變橋墩的自身結(jié)構(gòu)或者對于橋墩的宏觀位置擺放進調(diào)整，但都沒有從微觀上去深入研究，本課題彌補了這一缺失，采用3D打印模型建模。通過利用piv技術(shù)觀測不同的沖洗速度，不同模型的水動力特性，并用taplot加以顯示。得出橋墩的半徑對于減輕水流的沖刷力可以忽略不計，粗糙程度越可以減輕水流的沖刷力度，為今后建橋提供建議。

二.實驗研究

（一）實驗原理

（1）PIV技術(shù)

PIV技術(shù)除向流場散布示蹤粒子外，所有測量喪置并不介入流場，另外PIV技術(shù)具有較高的測量精度，速度測量都依賴散布在流場中的示蹤粒子，PIV法測速私是通過測量示蹤粒子在已知很短時間間隔內(nèi)的位移來間接地測量流場的瞬火速度分布若示蹤粒子有足夠高的流動跟隨性，示蹤粒子的運動就能夠真實地反映流場的運動狀態(tài)。如果我們知道在 t1 與 t2 這兩個時刻同一顆粒微團的位移變化，從記錄所得顆粒圖像，根據(jù)速度的定義式就可以獲得顆粒群在 t1 時刻的運動速度分布：

PIV測速系統(tǒng)裝置圖如圖1所示。PIV測速系統(tǒng)所采用CCD高頻照相機，其分辨率為3M，且圖像放大系數(shù)為0.64;激光發(fā)射器最高發(fā)射能量為800mj;示蹤粒子為10μm鍍銀空心小球。設(shè)置互相關(guān)分析的查問域大小為32×32像素

（2） solidworks

Solidworks有功能強大、易學易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，而且操作簡單方便、易學易用。SolidWorks獨有的拖拽功能使我們在比較短的時間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計。在強大的設(shè)計功能和易學易用的操作（包括Windows風格的拖/放、點/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用SolidWorks ，整個產(chǎn)品設(shè)計是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計、裝配設(shè)計和工程圖之間的是全相關(guān)的。本次實驗中利用solidworks制作了三個開孔大小不同的模型。

（3）Tecplot

Tecplot提供了豐富的繪圖格式，包括x-y曲線圖，多種格式的的2-D和3-D面繪圖，和3-D體繪圖格式。本次試驗研究用tecplot分析了從攝像機里傳出來的圖像。

（4）3D打印技術(shù)

D打印（3DP）即快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

（二）實驗過程

1.材料與儀器

本實驗涉及到的實驗器材有：接有可變電壓的激光發(fā)射源、準直透鏡、會聚透鏡、柱透鏡、水槽、CCD相機、示蹤粒子（直徑為5um的空心玻璃小球）、燒杯、玻璃棒、膠頭滴管、超聲波清洗器。

2.實驗過程

該實驗通過3D打印模型打印出不同半徑大小及表面粗糙程度圓柱體來模擬橋墩，用小型可推水板來制造水流，在進行了尺度標定之后便可以進行實驗。

本實驗的自變量主要為橋墩的粗糙程度，由于實驗材料有限，所以就以是否開孔以及孔徑的大小來代替橋墩的粗糙程度。

本次主要使用加矩形和標準圓柱形兩種形狀的橋墩模型

實驗（1）：取兩個圓柱，使它們的半徑大小不一致，而其形狀（加矩形，圓柱）相同。

實驗（2）：取兩個圓柱，使它們的形狀一致，而其半徑大小不一致。

試驗水深約0.3m， 以柱形開孔橋墩和加矩形開孔橋墩分別進行試驗， 控制斷面平均流速V分別為0.6 m/s、0.8m/s和1 m/s。

具體步驟：準備一合適透明玻璃容器（類似水族箱），寬為0.8m，長為1.5m，高為0.60m.將器材按相應(yīng)位置放置，其中橋墩模型固定穩(wěn)固，撒下示蹤粒子，并使其擴散均勻，控制水流速，等流速穩(wěn)定后，通過CCD相機在計算機上進行觀察，拍攝并分析橋墩后的渦量，流速等系列相關(guān)數(shù)據(jù)。

（三）實驗結(jié)果分析

通過比對兩種形狀橋墩的渦量及流速，得出結(jié)論。

三、總結(jié)

本次試驗通過以橋墩為開孔變量的PIV實驗研究，通過正圓柱形，加矩形橋墩的對比可以得出在建橋前對于橋墩的材料選取對橋墩沖刷具有顯著影響，顯然加矩形橋墩產(chǎn)生的旋渦更穩(wěn)定，其平均渦量也越小，速度越小，對于橋體的侵損越小。所以在建橋規(guī)劃中，應(yīng)選用加矩形來建造橋墩。

參考文獻：

[1]姚熊亮，方媛媛，戴紹仕，等.基于LES方法圓柱繞流基于LES方法圓柱繞流三維數(shù)值模擬[J].水動力學研究與進展A輯，2007，（5）：564-572.

[2]李悅， 宋波. 動水對斜拉橋結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響研究[J]. 土木工程學報2010（12）：94-99.

[3]張小月， 陳艾榮， 吳懷義. 國內(nèi)外高墩橋梁橋墩造型應(yīng)用研究[J]. 上海公路， 2012（1）：44-48.

[4]王剛，開孔橋墩水動力特性PIV試驗，中國知網(wǎng)2018（8）：8-12