橋墩防撞設(shè)施對(duì)紊流寬度影響的研究

張義軍,譚志榮,劉敬賢,栗曉晨

(1. 交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江航務(wù)管理局, 湖北 武漢 430014; 2. 武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院, 湖北 武漢 430063;3. 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430063)

0 引 言

交通運(yùn)輸部印發(fā)實(shí)施的《船舶碰撞橋梁隱患治理三年行動(dòng)實(shí)施方案》中對(duì)橋墩防船撞提出了新的要求,多跨過(guò)江橋梁的橋墩安裝防撞設(shè)施逐漸成為行業(yè)共識(shí)。當(dāng)流體在橋墩墩體兩側(cè)繞過(guò)時(shí),邊界壁面和高速流體之間會(huì)產(chǎn)生較大的速度梯度,從而導(dǎo)致較強(qiáng)的渦集中出現(xiàn)在該區(qū)域;當(dāng)船舶經(jīng)過(guò)橋墩附近水域時(shí),該區(qū)域會(huì)對(duì)船舶產(chǎn)生艏搖力矩,對(duì)船舶操控性造成影響,增大了船撞橋墩的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。安裝防撞設(shè)施后,橋墩處的幾何尺寸不僅發(fā)生了變化,橋墩的后尾渦也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)改變,因此有必要對(duì)橋墩處的流場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行分析。

針對(duì)不同形態(tài)橋墩(簡(jiǎn)稱:墩型)的流場(chǎng),部分學(xué)者采用了水槽物理試驗(yàn),并利用三維聲學(xué)多普勒測(cè)速儀從垂向上提取了紊流強(qiáng)度分布,從而收斂得到一般的紊流計(jì)算公式[3-4]。考慮到橋墩的物理結(jié)構(gòu),近年來(lái),對(duì)圓柱和方柱等形態(tài)在高雷諾數(shù)下流場(chǎng)特征研究逐步成為行業(yè)熱點(diǎn),三維有限元分析中選擇大渦模擬也能得到更高的計(jì)算精度[5-8]。

針對(duì)紊流寬度研究,目前常見(jiàn)的是將航道中橫向流速大于0.3 m/s的范圍定義為紊流寬度范圍[9],基于三維流場(chǎng)模擬,進(jìn)一步探索紊流區(qū)寬度的變化對(duì)于船舶航行安全影響[10-12]。近年來(lái),不同墩型的水域流場(chǎng)數(shù)值模擬引起了學(xué)界的高度關(guān)注,數(shù)值模擬既可豐富橋墩水域鈍體繞流及尾跡渦動(dòng)力學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的研究,也可為橋梁防撞工程提供技術(shù)參考[13-16]。冀楠等[17]和鄭植等[18]分別在研究橋墩防撞時(shí)對(duì)防撞設(shè)施系統(tǒng)的流場(chǎng)特征進(jìn)行了提取。基于此,筆者采用三維大渦模擬方法,對(duì)橋墩加裝防撞設(shè)施前后的流場(chǎng)變化進(jìn)行了研究,并針對(duì)圓形和尖艏型的紊流特征進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 橋墩周圍流場(chǎng)模擬

1.1 研究對(duì)象

筆者建立了經(jīng)典的單墩方柱(直徑為D)繞流計(jì)算模型尺度,如圖1。在設(shè)立的物理場(chǎng)景中,均勻自由來(lái)流(速度為U∞)從左至右繞過(guò)柱體;水平軸x正方向?yàn)轫標(biāo)鞣较?垂直軸y為垂直水流方向,設(shè)定單墩方柱中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。

圖1 單墩方柱繞流及計(jì)算區(qū)域示意(單位:m)Fig. 1 Schematic diagram of single pier square column bypass andits calculation area

1.2 控制方程

流體運(yùn)動(dòng)符合質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒三大定律。在當(dāng)前研究條件下,水流密度ρ保持不變,重力僅作用于深度方向,水溫為常溫;在橋區(qū)流場(chǎng)研究中,流場(chǎng)水平尺度一般遠(yuǎn)大于垂向尺度。筆者基于三維流動(dòng)條件對(duì)單墩方柱紊流問(wèn)題進(jìn)行了研究,建立了三維不可壓縮連續(xù)性方程和N-S方程,連續(xù)性方程由式(1)、動(dòng)量方程由式(2)表達(dá):

(1)

(2)

式中:ui為速度在i方向上的分量,在本研究中i=1, 2, 3分別代表x、y、z這3個(gè)方向;t為時(shí)間;ρ為流體密度;p為壓強(qiáng);gi為i方向上的重力加速度;μ為流體的運(yùn)動(dòng)黏度。

1.3 湍流模型

采用大渦模擬法(LES)將湍流流動(dòng)簡(jiǎn)化成尺度不一的湍流組合疊加運(yùn)動(dòng)過(guò)程,其中平均流動(dòng)大渦的影響較為明顯。大渦模擬主要用于反應(yīng)湍流流動(dòng)中的物理過(guò)程,如紊流擴(kuò)散、質(zhì)量交換和雷諾切應(yīng)力變化等。大渦模擬適用于對(duì)比大尺度網(wǎng)格的湍流運(yùn)動(dòng)所建立的近似模型,故在對(duì)小尺度的渦進(jìn)行模擬時(shí)需要采用濾波方式將大尺度與小尺度進(jìn)行剝離。此時(shí)過(guò)濾N-S方程為:

(3)

式中:τij為亞格子應(yīng)力。

τij可表示為:

(4)

(5)

1.4 無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

流體的數(shù)值模擬研究沒(méi)有固定的劃分依據(jù),因此需要開(kāi)展無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。以無(wú)界區(qū)域內(nèi)單個(gè)方柱橋墩周圍流場(chǎng)為例(圖2),選取若干尺度來(lái)比較所選取的計(jì)算域?qū)Ψ抡娼Y(jié)果的影響,如表1。

表1 不同計(jì)算域尺度計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖2 方墩局部網(wǎng)格劃分Fig. 2 Local grid division of square pier

2 計(jì)算工況

2.1 橋墩?qǐng)鼍肮r

單柱橋墩為方形墩,邊長(zhǎng)D=10 m,設(shè)置在5 m水深的河道中,防撞設(shè)施吃水深度為3 m。加裝防撞設(shè)施后,對(duì)比分析“圓艏型”和“尖艏型”這2種形式。在順?biāo)鞣较?上下游尺度各阻水尺寸增加8 m,共增加16 m;在垂直水流方向,阻水尺寸兩側(cè)各增加2 m,共增加4 m。防撞設(shè)施尺寸參數(shù)如圖3。

圖3 防撞設(shè)施尺寸(單位:m)Fig. 3 Anti-collision facilities size

2.2 邊界條件

考慮到橋墩的水動(dòng)力特性且橋墩處水流結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,為準(zhǔn)確模擬橋墩周圍的流動(dòng)特性,筆者對(duì)橋墩周圍及墩后紊流流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密處理。邊界條件為:① 入口:速度入口;② 出口:自由出流邊界;③ 水底壁面邊界:無(wú)滑移壁面;④ 流場(chǎng)側(cè)面邊界:對(duì)稱邊界;⑤ 墩體邊界:無(wú)滑移壁面。

根據(jù)不同水位期的流速特征,模擬工況見(jiàn)表2。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 無(wú)防撞設(shè)施流場(chǎng)仿真

分別截取水深h=0、 2、 4 m時(shí)的流速等值線進(jìn)行定量分析,如圖4。

圖4 不同來(lái)流速度下,不同深度處的橫向流速等值線分布Fig. 4 Horizontal velocity contour distribution at different depths under different inflow velocities

由圖4可知:水流經(jīng)過(guò)橋墩時(shí),在橋墩左右兩側(cè)形成了兩個(gè)橫流區(qū),兩橫流沿橋墩上下對(duì)稱分布,橋墩以上為正值橫流、以下為負(fù)值橫流。

1)在橋墩下游方向呈現(xiàn)負(fù)橫流區(qū)、正橫流區(qū)、負(fù)橫流區(qū)的交替分布的規(guī)律。橋墩上游1D范圍內(nèi)為對(duì)稱分布的正值橫向流速與負(fù)值橫向流速;橋墩下游1D范圍內(nèi)橫向流速基本為負(fù)值;下游1D～3D范圍內(nèi)的橫向流速基本為正值;3D～5D范圍內(nèi)橫向流速又變?yōu)樨?fù)值,如此循環(huán)。但隨著下游能量減弱,在循環(huán)3個(gè)周期后開(kāi)始變得凌亂。

2)根據(jù)研究及《長(zhǎng)江干線通航標(biāo)準(zhǔn)》,將橫流速度大于0.3 m/s的范圍定義為紊流寬度值。隨著來(lái)流速度增大,從0.3 m/s等值線線分布可看出:橋墩兩側(cè)及橋墩下游橫流大于0.3 m/s范圍明顯增大,即來(lái)流速增大,橋墩阻水作用更為明顯,橋墩尾渦脫落核心區(qū)的橫流及紊流范圍都增大。

3)當(dāng)來(lái)流速度為1 m/s時(shí),紊流寬度最大為7.8 m,橋墩下游方向22D范圍內(nèi)存在橫流,超過(guò)22D后水流趨于平穩(wěn);當(dāng)流速增大為2 m/s,紊流寬度最大為14.3 m,下游方向25D范圍內(nèi)存在橫流。

4)當(dāng)流速增大為3 m/s,紊流寬度最大為17.7 m,下游超過(guò)30D范圍均存在紊流。對(duì)比不同深度切面橫流可知:隨著水深增加,橫流范圍逐漸減小,由于遠(yuǎn)尾跡區(qū)中脫落的尾渦逐漸被破碎成為眾多小渦后,橫流區(qū)同樣呈現(xiàn)出“碎片化”的分布特點(diǎn)。

3.2 尖艏型防撞設(shè)施仿真

分別截取水深h=0、 2、 4 m時(shí)的流速等值線進(jìn)行定量分析,如圖5。由圖5可知:加裝尖艏型防撞設(shè)施后,橫流在整體分布上和未加裝尖艏型防撞設(shè)施時(shí)相似,橋墩上游方向存在一正一負(fù)兩個(gè)橫流區(qū),下游橫線周期性分布橫流。當(dāng)水流流速較小時(shí),紊流寬度沒(méi)有明顯改變;當(dāng)來(lái)流速度增大,橋墩阻水特性變大,加裝尖艏型防撞設(shè)施使得紊流寬度改善明顯;橋墩尖艏防撞設(shè)施(水深3 m以上)的具有整流作用,有效削弱了水流在橋墩兩側(cè)的流動(dòng)分離程度,橫流更為集中。

3.3 圓艏型防撞設(shè)施仿真

分別截取水深h=0、 2、 4 m時(shí)的流速等值線進(jìn)行定量分析,如圖6。由圖6可知:加裝圓艏型防撞設(shè)施后,橫流在整體分布上和未加裝防撞設(shè)施及尖艏型防撞設(shè)施相似,橋墩上游方向存在一正一負(fù)兩個(gè)橫流區(qū),且下游橫線周期性分布橫流。相比于尖艏型防撞設(shè)施,這種周期性分布減弱,整體高速橫向流區(qū)域變小,變?yōu)槎鄠€(gè)橫向流速較大的分散區(qū)域,但橫流流速大于0.3 m/s的紊流范圍有所增大。

圖6 不同來(lái)流速度下,不同深度處的橫向流速等值線分布Fig. 6 Horizontal velocity contour distribution at different depths under different inflow velocities

3.4 對(duì)比分析

通過(guò)上述分析可知:已建橋梁加裝防撞后對(duì)橋墩周圍水流流態(tài)影響顯著。對(duì)比不同來(lái)流速度下橋墩設(shè)防前后的情況,由于總體尺寸增大及阻水形狀改變,加裝圓艏型防撞設(shè)施后會(huì)導(dǎo)致橋墩周圍水流紊動(dòng)更加劇烈。將防撞設(shè)施設(shè)置前后各工況下橋墩附近的紊流寬度數(shù)值進(jìn)行讀取,得到紊流寬度的變化如圖7。由圖7可知:橋墩設(shè)防后,圓艏型防撞設(shè)施的阻水特性放大,對(duì)橋墩附近水流條件影響變大。對(duì)比同一流速下橋墩設(shè)防前后的情況,雖然整體尺度增大,但由于阻水形狀改變,在加裝尖艏型防撞設(shè)施后,其紊流寬度略小于未加裝時(shí);在加裝圓艏型防撞設(shè)施后,其紊流寬度大于未加裝時(shí);對(duì)比圓艏型和尖艏型防撞設(shè)施對(duì)橋區(qū)最大橫流及紊流寬度的影響發(fā)現(xiàn):其來(lái)流速度變化趨勢(shì)基本一致,圓艏型設(shè)施略大于未加裝時(shí)。

圖7 紊流寬度對(duì)比Fig. 7 Turbulence width comparison

4 結(jié) 論

筆者基于計(jì)算流體力學(xué),考慮不同來(lái)流速度、不同防撞結(jié)構(gòu)情況下,對(duì)單方柱橋墩加裝防撞設(shè)施前后的紊流寬度進(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)對(duì)紊流寬度測(cè)量和三維流場(chǎng)分析,得出如下結(jié)論:

1)無(wú)防撞設(shè)施時(shí),橋墩阻水作用隨來(lái)流速度的增加而增大,在橋墩下游交替出現(xiàn)負(fù)橫流區(qū)和正橫流區(qū),隨著水深增加,橫流范圍逐漸減小,橫流區(qū)呈現(xiàn)“碎片化”分布;

2)加裝尖艏型防撞設(shè)施后,橫流在整體分布上和未加裝時(shí)相似,但由于阻水形狀的改變,尖艏的整流作用可有效削弱在橋墩兩側(cè)流動(dòng)的分離程度,橫流更為集中,使紊流寬度相對(duì)減小;相較于尖艏型防撞設(shè)施,加裝圓艏型防撞設(shè)施后,橋墩對(duì)水流阻礙作用加強(qiáng),橫流周期性分布減弱,整體高速橫向流區(qū)域變小,變?yōu)槎鄠€(gè)橫向流速較大的分散區(qū)域,橋墩周圍紊流寬度略有增加;尖艏型防撞設(shè)施周圍的紊流寬度反而略有減少,這符合紊流寬度計(jì)算中,矩形墩系數(shù)為1.2,尖頭墩系數(shù)為0.66的結(jié)論;

3)對(duì)比無(wú)防撞設(shè)施及兩種防撞設(shè)施的紊流寬度變化可知:在幾乎相同的阻水面積情況下,相比于圓艏型防撞設(shè)施,尖艏型的紊流寬度較小。為減小防撞設(shè)施對(duì)紊流流態(tài)影響,工程中應(yīng)采用尖艏型防撞結(jié)構(gòu)形式。