水流作用下圆柱流场特征及局部冲刷三维数值模拟

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1、水流作用下圆柱流场特征及局部冲刷三维数值模拟3DNumericalSimulationofFlowCharacteristicsandLocalScouraroundaCylinderunderSteadyCurrentCondition学科专业：水利工程作者姓名：杨航指导教师：李绍武教授天津大学建筑工程学院二零一七年十二月中文摘要当孤立式墩柱置于水流中时，水流的流场型态将会由于墩柱的阻碍作用而发生显著变化。在墩柱周围，水流的紊动将变得剧烈，大量涡旋系统也随之产生。伴随着墩柱前侧的马蹄形涡以及后侧尾涡的产生，墩

2、柱周围床面处的泥沙将会被水流挟带至下游，从而导致墩柱周围出现局部冲刷。墩柱周围的局部冲刷一直是导致墩柱失稳的重要因素，也长期是研究泥沙冲刷的一个重要课题。国内外针对圆形墩柱周围的水流绕流型态及局部冲刷情况做了许多研究，但对大尺度墩柱的研究，尤其是对大尺度墩柱周围的局部冲刷的研究仍不完善。本文运用了FLOW-3D三维模拟软件中的紊流模型模块以及泥沙冲刷模块，基于大涡模拟方法先对不同尺度圆形墩柱周围的流场结构进行模拟和分析，随后再相应地对各组圆柱周边的局部冲刷进行了较长时间的模拟。通过和实验数据的对比，表明FLOW

3、-3D能够较好地模拟出圆形墩柱周边的流场分布及局部冲刷情况。本次数值模拟很好地模拟出了柱前马蹄形涡的产生以及尾涡的脱落现象，根据模拟数据显示，随着圆柱直径的增大，圆柱周围的流场紊动显著加剧，相应的，圆柱周围的局部冲刷深度也随之变大。根据本次数值模拟的研究结果，发现圆柱迎水侧、背水侧以及边侧的冲刷深度随圆柱直径的变化呈现一定的变化规律，较好地为预测大尺度圆柱周围的冲刷坑深度及形态提供依据。关键词：大涡模拟，大尺度圆形墩柱，墩柱绕流，局部冲刷IABSTRACTWhenanisolatedpierisplacedin

4、theflow,theflowfieldpatternwillchangesignificantlyduetotheblockingeffectofthepier.Aroundthepier,turbulencewillbecomeintense,andalotofvortexsystemswillemerge.Becauseofthehorseshoevortexinfrontofthepierandthelee-wakebehind,sedimentaroundthepierwillbetransporte

5、ddownstreambytheflow,resultinginlocalscouraroundthepier.Thelocalscouraroundanisolatedpierhasbeenanimportantfactorleadingtopierinstability,andithasalwaysbeenanimportantsubjecttostudysedimentscour.Alotofresearchhasbeendoneontheflowpatternandlocalscouraroundaci

6、rcularpierathomeandabroad,buttheresearchonalarge-scalecylinderisstillnotperfect,especiallytheonesonthelocalscouraroundalarge-scalecylinder.Theviscosityandturbulencemoduleandsedimentscourmoduleofthethree-dimensionalsimulationsoftwareFLOW-3Dareusedinthispaper.

7、Theflowpatternaroundcylindersindifferentdiametersaresimulatedbasedonthelargeeddysimulationmethodfirst.Thensimulationsaboutthelocalscouraroundthecorrespondingcylindersinalargetimescalefollow.Comparingwiththeexperimentdata,itshowsthatFLOW-3Dcansimulatetheflowp

8、atternandlocalscouraroundacircularpierwell.Horseshoevortexgeneratinginfrontofthecylinderandlee-wakesheddingbehindthecylinderaresimulatedwellinthesemodels.Accordingtothesimulationdata,withtheincr