改进数值模型与群桩基础桥墩局部冲刷的cfd模拟

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1、学校代号10532学号B130100023分类号U441+.3密级公开博士学位论文改进数值模型与群桩基础桥墩局部冲刷的CFD模拟学位申请人姓名喻鹏培养单位土木工程学院导师姓名及职称祝志文教授学科专业土木工程研究方向大跨度桥梁关键技术论文提交日期2017年12月03日学校代号：10532学号：B130100023密级：公开湖南大学博士学位论文改进数值模型与群桩基础桥墩局部冲刷的CFD模拟国家重点基础研究发展计划（973计划）（编号：2015CB057701）湖南省交通科技项目(201522)学位申请人姓名：喻鹏导师姓名及职称：祝志文教授培养单位：土木工程学院专业名称：土木工

2、程论文提交日期：2017年12月03日论文答辩日期：2017年12月06日答辩委员会主席：方志ImprovednumericalmodelandCFDsimulationoflocalscouraroundpilegroupfoundationbyYUPengB.E.(ChangshaUniversityofScienceandTechnology)2010M.E.(ChangshaUniversityofScienceandTechnology)2013AdissertationsubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirement

3、sforthedegreeofDoctorofEngineeringinCivilEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorZHUZhiwenDecember,2017湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研宄做出重要贡。献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担

4、。作者签名：▲辦海曰期：如并Ｕ月＃曰学位论文版权使用授权书、本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文３本学位论文属于１．保密□，在年解密后适用本授权书。２．不保密０。“”（请在以上相应方框内打Ｖ）作者签名：日期Ｇ月／日导师签名：曰期：七上＞丨年＆月曰择７＾改进数值模型与群桩基础桥墩局部冲刷

5、的CFD模拟摘要桥墩局部冲刷是造成跨河桥梁水毁的主要原因之一。合理的最大冲刷深度估计是桥梁墩台基础设计的重要依据。随着计算机性能的提高，基于计算流体动力学（CFD）的数值模拟已逐步成为研究桥梁基础局部冲刷的有效手段。本文借助CFD方法开展了多种桥墩形式的局部冲刷研究，其主要研究内容和结论如下：（1）阐述了多种典型桥墩局部冲刷计算模型及其适用范围；重点针对中美两国规范桥墩局部冲刷计算条文进行了比较，指出了现行中国规范局部冲刷条文的局限性。基于美国特纳-费尔班克公路研究中心和美国地质勘探局的试验数据，采用量纲分析和多元回归分析方法，提出了新的桥墩局部冲刷深度计算公式，并通过C

6、FD方法确定了墩形修正系数K1和水流偏角修正系数K2，以及串列双圆柱桥墩间干扰系数β的取值。再基于不同墩形的试验数据验证了提出公式的适用性和合理性。（2）基于充分发展的湍流和湍流局部平衡假设，推导出了基于标准k−ε湍流模型的平衡湍流边界层模型，确定了与该模型对应的湍流来流边界条件；基于水槽试验剖面，采用最小二乘法拟合了CFD的入口湍流来流边界条件；然后通过参数敏感性分析优化了标准k−ε湍流模型参数。最后通过比较不同入口边界条件的计算结果，对提出的河床平衡湍流边界层模拟方法的适用性进行了验证。（3）基于Fluent平台，二次开发了能同时考虑斜坡重力作用和泥沙坍塌效应的桥墩局

7、部冲刷模块，并基于该模块开展了不同桥墩形式的局部冲刷CFD模拟。获得了与Melville水槽试验和Beheshti水槽试验结果一致的流场特征、冲刷深度和冲刷坑形态，验证了本文数值方法的适用性和合理性。研究了墩形、长宽比和水流偏角等参数对局部冲刷深度的影响。结果表明，在四种墩形的局部冲刷
中，矩形墩的冲刷深度最大，尖头墩的冲刷深度最小。在0水流偏角下，长宽比的变化对冲刷深度的影响较小，而对冲刷坑形态和其发展范围的影响较大；而在水流偏角为5º～45º的范围内，冲刷深度随着水流偏角的增大而增大。（4）研究了串列、错列双圆柱桥墩间干扰