跨海桥梁单柱类构件水流力研究

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1、国内图书分类号：U448.27密级：公开国际图书分类号：624西南交通大学研究生学位论文跨海桥梁单柱类构件水流力研究年级二〇一五级姓名刘通申请学位级别工程硕士专业建筑与土木工程指导教师李乔教授杨万理副教授二零一八年五月ClassifiedIndex:U448.27U.D.C:624SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisANALYSISOFFORCEOFFLOWAROUNDSINGLECOLUMNOFSEA-CROSSINGBRIDGEGrade:2015Candidate:TongLiuAcademic

2、DegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:ArchitecturalAndCivilEngineeringSupervisor:Prof.QiaoLiAssociateProf.WanliYangMay,2018SouthwestJiaotongUniversity西南交通大学硕士研究生学位论文第1页摘要跨海桥梁中下部结构与水流之间存在着相互作用，由于桥梁下部结构中形式多样，因而这种作用的分析十分复杂，目前仍在探索之中。为了研究这种作用的基本规律，本文拟对桥梁下部结构中的基本构件——单柱类构件进行了纯流

3、的绕流模拟与分析。综合目前研究成果，其中圆形、方形和圆端形这三种截面柱体的高雷诺数三维绕流研究仍不充分，而且其中很多较小结构物、流体为空气的绕流情况。并且高雷诺数下的试验，很多也是在风洞中进行的，而上述单柱类构件原型的水流试验几乎是不可能完成的。所以，本文对上述三个截面形式的单柱进行了高雷诺数下纯流的绕流分析，并对缩尺实验的可行性进行了探讨。首先，对目前数值模拟绕流的理论进行了阐释，重点介绍了所选择的模型维度、网格、算法和湍流模型。然后进行了网格无关性验证，再照此离散方式对圆柱在Re=2×106和Re=8×106的工况进行了二维和三维的绕流数值模拟，并对

4、比分析了不同维度和雷诺数下的计算结果。随后，对方柱和圆端形截面柱在Re=2×106下分别进行了二维和三维的数值模拟，对比分析了不同截面形式下不同维度的计算结果。最后，以Re=8×106工况中的单圆柱为原型，对不同缩尺比情况下的单圆柱进行了数值模拟，将计算结果按Froude相似准则换算到原型中，分析对比了每个缩尺比模型试验在理论上的可行性。根据上述数值模拟结果与分析对比，本文认为，在有限水深下，单柱绕流数值模拟必须是三维的，二维模拟只适用于无限水深或水深较大的情况，而方柱和圆端形截面柱对水深要求更深。三维模拟的阻力系数（Cd）和升力系数（Cl）振荡频率并非

5、严格的2倍关系，且比二维模拟结果小；而由于升阻力是整个柱体上的合力，所以高雷诺数三维模拟结果难以具有二维的规律性和稳定性。方柱阻水效应非常明显，升阻力系数都明显大于相同条件下的圆柱；圆端形截面柱在升阻力水流力力学性能都更有优势。缩尺模型的水流力在不能按照Froude相似准则放缩到原型墩柱上，只能通过Morison方程来推算原型墩柱在实际情况下的水流力。关键词：单柱类构件；雷诺数；三维数值模拟；阻力系数（Cd）；升力系数（Cl）西南交通大学硕士研究生学位论文第2页AbstractThereisaninteractionbetweenthemiddleand

6、lowerstructuresofthebridgeandtheflowofwater.Becauseofthediversityinthelowerstructureofthebridge,theanalysisofthiseffectisverycomplexandisstillbeingexplored.Inordertostudythebasiclawofthiseffect,thispaperistosimulateandanalyzetheflowaroundasinglecolumnofthebasicmemberofthebridgesu

7、bstructure.Atpresent,thestudyonthehighReynoldsnumberofthethreesectionsofcircular,squareandcircularendsinglecolumnisstillnotsufficient,andmanyofthesmallerstructuresandfluidsareairflow.Moreover,manytestsunderhighReynoldsnumberarealsocarriedoutinwindtunnel.Therefore,theflowanalysiso

8、fpureflowinasinglecolumnwiththreeReynold