[發明專利]方形橋墩沖刷問題的繞流流場計算方法

有效

• 申請號: 202010929328.7
• 申請日: 2020-09-07
• 公開（公告）號: CN112182922B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發明（設計）人: 洪鋒;張帆;胡濤;肖仁政
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F30/13;G06F111/10;G06F119/14;G06F113/08
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 成鋼

本發明公開了方形橋墩沖刷問題的繞流流場計算方法，包括：構建方形橋墩及其沖刷水流的物理模型，即繞流模型；對步驟1的物理模型進行網格劃分，對橋墩表面附近區域劃分邊界層網格；將步驟2得到的網格文件導入流體有限元軟件，建立方形橋墩的數值模型；設置方形橋墩數值模型的控制方程求解格式和數值計算精度；利用數值模型計算得到方形橋墩的繞流流場，利用后處理軟件對計算結果進行提取。本發明的繞流流場計算方法，實現了對實際工程橋梁沖刷問題的繞流流場進行高精度數值計算，獲取流場詳細的特征參數及非定常流動結構，為揭示橋梁局部沖刷機理提供理論支撐。

技術領域

本發明屬于橋梁監測領域，具體涉及一種方形橋墩沖刷問題的繞流流場計算方法。

背景技術

近年來，隨著交通運輸業的快速發展，橋梁數量不斷增加，方形橋墩在沿河流走向的高架橋建設方面得到了十分廣泛應用。然而，由橋墩、橋臺處產生的嚴重沖刷所造成的自然災害一直頻發，這對國民經濟帶來了十分巨大的影響。在復雜來流的條件下，方形橋墩繞流包含了回流、撞擊、分離、再附與旋渦脫落等復雜流動現象。特別地，由方形橋墩阻水作用使得水流結構發生變化，產生了墩前馬蹄渦系、下潛水流及尾跡渦系，從而增加方形橋墩周圍床面局部剪切應力，并最終形成局部沖刷。當前，絕大多數橋梁失穩垮塌都是由橋墩周圍產生了嚴重的局部沖刷造成。因此，對方形橋墩在復雜來流條件下的局部沖刷問題的研究具有十分重要的工程意義。

目前針對局部沖刷問題的研究主要包含半理論半經驗、縮小比例水力模型試驗及數值計算三種方法。這三種方法各有優劣，前兩種方法屬于傳統的方法，具有真實直觀、數據可靠性高的優點，但需要大量的人力物力、先進的測量設備及測試手段。在這種情形下，數值計算可以完全克服傳統方法的這些不足，且通過數值計算還可以獲取微觀的流動現象及更詳細的物理參數，但數值計算方法對使用者的理論水平及數值模型的要求較高。就數值模型而言，在實際工程應用案例中，大部分均是基于雷諾時均方程RANS的計算框架，該方法計算精度較差，對微觀流動細節的捕捉能力也相對不足。因此，亟需開發一種應用于橋墩局部沖刷問題的高效數值計算方法。

發明內容

本發明的目的是針對上述問題，提供一種方形橋墩沖刷問題的繞流流場計算方法，建立方形橋墩的物理模型并進行網格劃分，導入流體有限元軟件建立方形橋墩的數值模型，并采用基于網格尺度修正的分離渦模型，以避免現有分離渦模型的模化應力損耗以及網格誘導分離的問題，利用數值模型計算獲得方形橋墩的繞流流場，對橋墩局部沖刷問題中流場結構非定常特征進行準確捕捉和高效計算。

本發明的技術方案是方形橋墩沖刷問題的繞流流場計算方法，包括以下步驟：

步驟1：構建方形橋墩及其沖刷水流的物理模型，即繞流模型；

步驟2：對步驟1的物理模型進行網格劃分，對橋墩表面附近區域劃分邊界層網格；

步驟3：將步驟2得到的網格文件導入流體有限元軟件，建立方形橋墩的數值模型；

步驟4：設置方形橋墩數值模型的條件、控制方法求解格式和數值計算精度；

步驟5：利用數值模型計算得到方形橋墩的繞流流場，利用后處理軟件對計算結果進行提取，獲得方形橋墩的繞流流場非定常特征；

步驟6：建立方形橋墩的實體模型，并在步驟3相同的條件下進行水流沖刷實驗，將水流沖刷試驗結果與步驟5的繞流流場的計算結果進行對比，根據對比結果對方形橋墩的數值模型進行校正。

進一步地，步驟1中，所述構建方形橋墩及其沖刷水流的物理模型，采用三維繪圖軟件UG對方形橋墩及橋墩表面附近區域進行建模。

進一步地，步驟4中，設置所有物理量計算收斂殘差標準為1×10^-5，將定常計算的收斂結果作為非定常計算的初始值，以加快收斂效率。

進一步地，步驟2包括以下子步驟：