[发明专利]方形桥墩冲刷问题的绕流流场计算方法

说明书

本发明公开了方形桥墩冲刷问题的绕流流场计算方法，包括：构建方形桥墩及其冲刷水流的物理模型，即绕流模型；对步骤1的物理模型进行网格划分，对桥墩表面附近区域划分边界层网格；将步骤2得到的网格文件导入流体有限元软件，建立方形桥墩的数值模型；设置方形桥墩数值模型的控制方程求解格式和数值计算精度；利用数值模型计算得到方形桥墩的绕流流场，利用后处理软件对计算结果进行提取。本发明的绕流流场计算方法，实现了对实际工程桥梁冲刷问题的绕流流场进行高精度数值计算，获取流场详细的特征参数及非定常流动结构，为揭示桥梁局部冲刷机理提供理论支撑。

技术领域

本发明属于桥梁监测领域，具体涉及一种方形桥墩冲刷问题的绕流流场计算方法。

背景技术

近年来，随着交通运输业的快速发展，桥梁数量不断增加，方形桥墩在沿河流走向的高架桥建设方面得到了十分广泛应用。然而，由桥墩、桥台处产生的严重冲刷所造成的自然灾害一直频发，这对国民经济带来了十分巨大的影响。在复杂来流的条件下，方形桥墩绕流包含了回流、撞击、分离、再附与旋涡脱落等复杂流动现象。特别地，由方形桥墩阻水作用使得水流结构发生变化，产生了墩前马蹄涡系、下潜水流及尾迹涡系，从而增加方形桥墩周围床面局部剪切应力，并最终形成局部冲刷。当前，绝大多数桥梁失稳垮塌都是由桥墩周围产生了严重的局部冲刷造成。因此，对方形桥墩在复杂来流条件下的局部冲刷问题的研究具有十分重要的工程意义。

目前针对局部冲刷问题的研究主要包含半理论半经验、缩小比例水力模型试验及数值计算三种方法。这三种方法各有优劣，前两种方法属于传统的方法，具有真实直观、数据可靠性高的优点，但需要大量的人力物力、先进的测量设备及测试手段。在这种情形下，数值计算可以完全克服传统方法的这些不足，且通过数值计算还可以获取微观的流动现象及更详细的物理参数，但数值计算方法对使用者的理论水平及数值模型的要求较高。就数值模型而言，在实际工程应用案例中，大部分均是基于雷诺时均方程RANS的计算框架，该方法计算精度较差，对微观流动细节的捕捉能力也相对不足。因此，亟需开发一种应用于桥墩局部冲刷问题的高效数值计算方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种方形桥墩冲刷问题的绕流流场计算方法，建立方形桥墩的物理模型并进行网格划分，导入流体有限元软件建立方形桥墩的数值模型，并采用基于网格尺度修正的分离涡模型，以避免现有分离涡模型的模化应力损耗以及网格诱导分离的问题，利用数值模型计算获得方形桥墩的绕流流场，对桥墩局部冲刷问题中流场结构非定常特征进行准确捕捉和高效计算。

本发明的技术方案是方形桥墩冲刷问题的绕流流场计算方法，包括以下步骤：

步骤1：构建方形桥墩及其冲刷水流的物理模型，即绕流模型；

步骤2：对步骤1的物理模型进行网格划分，对桥墩表面附近区域划分边界层网格；

步骤3：将步骤2得到的网格文件导入流体有限元软件，建立方形桥墩的数值模型；

步骤4：设置方形桥墩数值模型的条件、控制方法求解格式和数值计算精度；

步骤5：利用数值模型计算得到方形桥墩的绕流流场，利用后处理软件对计算结果进行提取，获得方形桥墩的绕流流场非定常特征；

步骤6：建立方形桥墩的实体模型，并在步骤3相同的条件下进行水流冲刷实验，将水流冲刷试验结果与步骤5的绕流流场的计算结果进行对比，根据对比结果对方形桥墩的数值模型进行校正。

进一步地，步骤1中，所述构建方形桥墩及其冲刷水流的物理模型，采用三维绘图软件UG对方形桥墩及桥墩表面附近区域进行建模。

进一步地，步骤4中，设置所有物理量计算收敛残差标准为1×10^-5，将定常计算的收敛结果作为非定常计算的初始值，以加快收敛效率。

进一步地，步骤2包括以下子步骤：