水深条件对单桩基础局部冲刷和流场结构的影响

在清水条件下,对单桩基础周围的局部冲刷和流场结构进行了三维数值模拟研究。结果表明,冲刷深度、冲刷坑尺寸和流场结构受相对水深(h/D=0.5～2.5)的影响显著。随着h/D的减小,单桩周围的冲刷深度单调递减,且桩前和桩后冲刷深度的减小幅度大于桩侧的减小幅度;随着h/D的减小,桩前半径和桩侧半径均单调递减,但桩侧半径的变化速率略慢。这些变化趋势均与桩前马蹄涡和下降流动以及桩后上升流动随相对水深的减小明显减弱有关。此外,相对水深较小时,冲刷坑下游的尾涡更贴近床面,导致下游堆积体的高度较低。     

孤立波作用下单排桩附近床面冲刷实验研究

为揭示海啸波冲击下桩式防波堤的桩基附近泥沙冲刷特性,文章通过物理模型实验研究了孤立波作用下单排桩柱结构附近床面的局部冲刷问题,测试了入射波高和水深对冲刷坑形态发展的影响。结果表明:床面冲刷主要发生在相邻柱体的间隙处;在冲刷过程的前期阶段,排桩不同间隙附近床面冲刷的演变存在一定的差异;到冲刷后期,各间隙床面三维形态上的差异逐渐消失;达到冲刷平衡后,在间隙附近形成显著的冲刷坑,冲刷坑的下游则出现淤积的沙坝;沿间隙中心线剖面上的最大冲刷深度出现在柱中心偏下游位置,最大淤积高度出现在柱中心下游的几倍圆柱直径范围内。冲刷坑沿槽宽方向的发展随着波高的增大而增大,随着水深的增大变化不明显;平衡剖面上最大冲刷深度、最大淤积高度和冲刷坑水平长度亦随着波高的增大而显著增加。试验成果可为进一步建立相应的三维泥沙冲刷数值模型提供校核依据。     

桩柱间距对桩柱上波浪荷载的影响

桩柱间距的大小直接关系到入射波对桩柱的作用力及对平台或上部结构的上托力。基于FLOW-3D建立三维数值波浪水槽,通过试验验证数值模型的准确性,研究4种波况下,桩柱间距L对作用在上游桩柱和下游桩柱波浪荷载的影响。结果表明：由于桩柱的相互影响,作用在两桩柱上顺向波浪荷载和横向波浪荷载均不同于孤立桩柱情形,群桩系数KG与桩柱间距L有密切关系,对于顺向群桩系数KGx,当桩柱间距L与其直径D的比值小于1.0时,上游桩柱顺向群桩系数KGxu＜1.0,下游桩柱顺向群桩系数KGxd＞1.0,两桩柱的横向群桩系数KGy可达3.0～4.0。随着间距的增加,KGxu逐渐增大、KGxd逐渐减小、KGy大幅减小。当L/D＞4.0时,基本可以忽略两桩柱的相互影响。     

波浪作用下局部冲刷群桩动力特性试验研究

利用模型试验对深水桥墩群桩基础进行研究。用摇摆式造波装置施加波浪荷载,基于典型的冲刷坑形态,通过开挖桩周土体模拟不同的冲刷深度,探讨不同冲刷深度下桩基在波浪荷载作用下的动力反应。作为对比,同样进行了同参数下的单桩平行试验。研究结果表明:随着冲刷深度的增加,桩基础的自振频率逐渐降低,桩顶加速度和位移幅值呈增大趋势。桩基动力响应同时受水深的影响——随着水深的增大,位移和加速度也有所增加。在实际工程设计中,应该考虑桩基冲刷受损程度和水文条件的综合影响。     

山区码头桩基冲刷研究

山区河流水位涨跌迅猛，码头桩基区域出现复杂绕流现象，受涡流运动的影响桩周区域基床随之发生冲刷，进而形成尺寸不一的局部冲刷坑，导致桩基入土深度减小、悬臂端长度增大。本文采用了5种计算公式对某山区码头桩基最大冲刷深度进行计算，结合试验数据发现本工程山区河流环境下桩基局部冲刷坑最大深度的预测采用65-1式可行。     

透水丁坝冲刷特性的试验研究

通过在水槽中做动床实验，对透水丁坝附近河床的冲刷特性进行研究，并对透水丁坝的冲刷过程进行分析。结果表明，透水丁坝的最大冲刷深度随着透水率的增大而减小，但当透水率的变化范围在20％～30％时，对透水丁坝最大冲刷深度的影响不大；其下游侧有冲刷沟，冲刷深度从坝根（与渠岸接触部分）到坝头逐渐加深；另外，在坝头附近产生冲刷槽，其方向与水流方向一致，冲刷槽的深度随着透水率的增大而减小，当透水率的变化范围在30％～40％时，其冲刷长度为不透水丁坝冲刷长度的一半。     

子母管线冲刷防护数值模拟分析

采用Flow 3D软件研究恒定流条件下6种不同类型子母管线的冲刷防护问题。通过变化子母管线的结构，得出不同类型子母管线局部冲刷的演变规律，可为子母管线的自防护问题提供一定的参考。数值模拟结果表明：Ⅲ型子母管线的冲刷坑深度最小，Ⅴ型子母管线的冲刷坑深度最大，Ⅰ型子母管线、Ⅵ型子母管线、Ⅳ型子母管线、Ⅱ型子母管线（普通子母管线倒置）的冲刷坑深度依次减少；冲刷坑宽度与冲刷坑深度的变化趋势稍有不同，Ⅰ型子母管线的冲刷坑宽度和影响范围要稍大于Ⅴ型子母管线；Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅵ型子母管线都可减缓冲刷的发生，达到防护的目的，但Ⅲ型子母管线的防护效果最好，而Ⅴ型子母管线会增强局部冲刷。     

圆桩倾斜方向对冲淤演变影响的试验研究*

恒定水流条件下,针对向上游、下游、侧向倾斜及竖直的圆桩进行泥沙冲淤试验。采用冲刷深度-时间经验公式拟合平衡冲刷深度,研究了不同倾斜方向桩的最大冲刷深度、冲刷淤积发展及最终的冲淤形态分布。试验结果表明：1）倾斜桩横向冲刷范围较小。与竖直圆桩相比,向下游倾斜桩的最大冲深减少16.89%,桩后淤积长度缩短。2）侧向倾斜桩最大冲深增加6.92%,冲淤形态向倾斜侧发展,桩后淤积沙丘呈窄长型。3）向上游倾斜圆桩的最大冲深增加15.62%,冲刷坑向上游发展,桩后淤积高度最高,纵向冲刷长度最长。     

水沙条件对护岸工程损毁影响的试验研究*

针对新水沙条件下航道整治建筑物损毁问题,以护岸工程为例,采用概化水槽试验,模拟研究不同水动力强度以及不同挟沙饱和度下护岸工程的冲淤特性。试验结果表明：随着断面平均流速与泥沙起动流速比值（U/Uc）的增大,护岸工程前沿冲刷呈指数形式增大;随着水流含沙量与水流挟沙力比值（S/S*）的增大,护岸工程前沿冲刷呈对数形式减小。当U/Uc＞3或S/S*＜40%时,护岸前沿冲刷范围及冲刷深度均快速增大。因此,当U/Uc＞3或S/S*＜40%时,应加强对整治建筑物周边水流流速年际和年内变化的监测。研究结果可为航道整治工程设计及航道整治建筑物维护工作提供技术支撑。     

网格结构对桥墩周围冲刷坑的促淤效果研究*

减少冲刷坑深度是桥梁设计与维护中常面临的一个重要问题。为了进一步探明促淤网格的安装位置等对桩墩局部冲刷坑促淤修复效果的影响，通过水槽试验研究促淤修复率随促淤网格安装位置、网孔大小等要素的变化特征。结果表明：促淤修复率受来流强度的影响不大，受网格的相对安装位置影响很大；为提高促淤网格的稳定性和促淤修复效果，促淤网格应安装在沙波波谷以下尽可能高的位置，以获得尽可能大的促淤容量，增大网格的促淤深度；网格的相对网孔孔径越小，网格安装位置对冲刷坑促淤修复效果的影响越显著。最后，提出了促淤网格防护下的最终促淤深度计算公式，为今后促淤网格的工程应用提供参考。     

基于系列模型试验的波流共同作用下单桩冲刷及防护措施研究

冲刷问题是导致海洋环境中桩基础损毁的重要因素之一,极细沙在波流环境下具有"易冲易淤"的特点,以往针对极细沙底床的基础冲刷研究比较少见,采用系列模型试验的方法,针对极细沙海床在波流共同作用下的桩基础冲刷深度及防护措施效果展开研究,并将试验结果与前人经验公式计算结果进行比较。研究结果表明:波流作用下冲刷坑由圆桩两侧向桩前后发展,桩后冲刷深度较小,且当波流动力条件较强冲刷坑形态发展为水滴型。试验在K_c=3.11,相对速率U_(cw)=0.53条件下,采用系列模型延伸法得到原形桩基冲刷深度约为其直径2倍。沙被防护效果较好,试验未观察到圆桩周围产生冲刷破坏。在使用经验公式计算时,应综合考虑经验公式的适用范围与实际情况之间的差别,并分析其对冲刷结果可能带来的影响趋势。     

双点腐蚀对船体板应力集中影响研究

为研究双点腐蚀蚀坑的船外板孔边处的应力集中,以半球形蚀坑为例,建立含半球形蚀坑的船外板有限元模型,对蚀坑大小、蚀坑间距及排列方式对应力集中的影响进行数值计算。研究表明,当蚀坑垂直载荷方向分布时,则孔边应力集中随两孔间距的增大而增大,当2个蚀孔相切时,孔边应力集中达到最大,而后应力集中随蚀坑间距的增大而减小,当蚀坑间距大于3倍蚀坑半径时,2个蚀坑之间的相互影响可忽略不计;当蚀孔平行载荷方向分布时,孔边应力集中大体随蚀坑间距的增大而增大。当蚀坑间距大于5倍半径时,2个蚀坑之间的相互影响可以忽略不计。该研究可为考虑腐蚀的老龄舰艇强度计算提供参考。     

亚临界雷诺数下串列三圆柱体绕流特性研究

基于流体计算软件Fluent,本文采用Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟(LES)方法,对Re=3900时串列三圆柱体群绕流进行了三维数值模拟.首先,通过求解单圆柱算例来验证计算模型及参数的正确性.然后,分析了间距比对三圆柱体群绕流特性的影响.数值结果表明:随着间距比的增大,剪切层会出现再附着、卷起再附着和无再附着三种形式,同时尾涡第一次卷起位置也会逐渐向上游移动.此外,圆柱体尾流区顺流向时均速度分布由"U"型变为"V"型,横流向时均速度近尾流区分布呈反对称,远尾流区反对称现象会逐渐减弱.在L/D=4.1～4.2范围内,串列三圆柱体群所受的流体力会发生突变.上中游圆柱体平均阻力系数会增大,与双圆柱体工况类似;然而,下游圆柱体会减小.最后,三圆柱体的升力系数主频率值基本一致,并随着间距比的增大而增大.     

近壁旋转圆柱流场特性数值模拟分析

[目的]为探讨近壁旋转圆柱尾流及流体力特性,对典型间隙比下旋转圆柱绕流进行研究。[方法]对雷诺数Re=200下3种典型间隙比（G/D=0.2,0.8,1.4）的旋转圆柱绕流展开数值模拟,对比不同间隙比和转速比下的圆柱尾流及流体力特性。[结果]结果显示：当G/D=0.2时,圆柱表面脱涡会受到显著抑制,圆柱表面升阻力无波动;当G/D=0.8和1.4且转速比较低时,会发生“尾流涡”脱落现象,其结构与2S模式相似,升阻力系数呈正弦周期性波动,振幅较小;当正旋转速较大时,圆柱表面无漩涡脱落,形成稳定的D模式尾流（随转速比增大由D+模式变为D-模式）,“尾流涡层”与“壁面涡层”发生分离,“壁面涡”呈现多周期性脱落现象,升阻力系数呈多周期波动,振幅显著增大;当反旋转速较大时,圆柱表面被一层正涡量的涡层包裹,漩涡脱落受到显著抑制,升阻力无波动。[结论]所得结论可为高效流动控制技术发展提供参考。     

异型群桩水流载荷遮掩效应受力分析

中马友谊大桥采用群桩基础，洋流经过群桩时会产生纵向和横向位移。为了探索异型群桩水流载荷计算方法，通过单向水槽模型试验测量单桩、双桩水流载荷，提出异型群桩水流载荷公式，并结合群桩水流载荷试验结果验证计算公式的合理性。结果表明，并列双桩水流载荷随着桩心距增加而减小，桩心距大于5D时，双桩之间干扰效应消失；串联双桩中后桩水流载荷随着桩心距增加而增加，桩心距大于20D时，双桩之间遮掩效应减弱；随着流向角增加，后桩受到的水流载荷呈正弦分布，且随着桩心距变化出现不同趋势。     

基于减小坝头局部冲刷的非淹没式水力插板透水丁坝群优化试验

为了寻找水力插板透水丁坝群减小坝头局部冲刷的最佳设计参数和布置方案。文章在双丁坝布置的情况下,通过改变第二、三个丁坝的间距,第三个丁坝的挑角、透水率、长度进行单因素试验,得出各单因素与第三个丁坝坝头冲刷坑深度的回归方程。再从每组单因素试验结果中选择最佳试验水平,利用L9(34)正交试验设计表设计4因素3水平的正交试验。正交试验结果表明:4个单因素对第三个丁坝坝头冲刷坑深度的影响为:丁坝长度>丁坝间距>丁坝透水率>丁坝挑角。水力插板透水丁坝群减小坝头局部冲刷的最佳设计参数和布置方案:第一个丁坝长度,第二个丁坝长度,第三个丁坝长度与河宽的比值分别为0.25、0.21、0.21;第一个、第二个丁坝透水率为30%,第三个丁坝透水率为20%;第一、二个丁坝间距与第一个丁坝长度的比值为3,第二、三个丁坝间距与第二个丁坝长度的比值为2;第一个、第二个和第三个丁坝挑角为60°。     

非成岩水合物组合喷嘴射流破碎规律研究

基于LS-DYNA软件，建立淹没水射流破碎天然气水合物沉积物的拉格朗日-欧拉流固耦合模型，分析射流速度、喷嘴直径和喷嘴间距等对组合射流破碎结果的影响。基于自主研制的水合物替代试样以及相关试验装置，进行淹没水射流破碎天然气水合物沉积物的试验，通过三维扫描仪得到破碎坑形貌，测量了破碎坑尺寸。研究发现：增加射流速度可有效提高射流破碎效率，喷嘴直径对射流破碎坑直径影响明显。对比喷嘴直径为3 mm和4 mm以及4 mm和5 mm射流形成的破碎坑宽度，分别增大了111.66%和123.63%；当射流速度与喷嘴直径一定，喷嘴间距在17～51 mm之间增加时，破碎坑体积先增大后减小，且存在一个最优间距；减小喷嘴直径会增加节流压耗，直径过小还会导致设备精度和寿命降低；射流采掘工具未旋转时产生的射流破碎坑会降低破碎效率和破碎坑壁面的稳定性。这项研究为组合喷嘴射流破碎水合物沉积物提供了参考和依据。     

水流作用下圆柱局部冲刷三维数值模拟

孤立式桥墩周围的局部冲刷一直是导致桥墩失稳的重要因素。国内外针对圆形墩柱周围的水流绕流流态及局部冲刷情况做了许多研究,但对大尺度墩柱的研究仍不完善。利用FLOW-3D三维模拟软件中大涡模拟紊流模型模块以及泥沙冲刷模块,对不同尺度的圆柱周边的局部冲刷进行系统模拟研究。计算结果表明,在不同圆柱直径下,圆柱的迎水侧、背水侧以及对称侧的平衡冲刷深度始终保持着特定的比例关系。同时,圆柱周围的最大冲刷深度随圆柱直径的增大而增大,但其与圆柱直径的比值随圆柱直径增大而减小,并呈现出收敛的趋势。期望数值模拟研究结果,能够较好地为预测实际工程中大尺度圆柱周围的冲刷坑深度及形态提供参考依据。     

3个附属控制杆对立管水动力影响的CFD模拟

针对3个附属控制杆对深海立管的水动力影响问题,应用CFD大涡模拟方法模拟得到Re=1×105时附属控制杆在来流角α、直径比d/D和间距比G/D的不同参数组合下,升力、阻力和斯特劳哈尔数的变化规律以及立管绕流近壁区的流动特征。研究结果表明,附属杆的存在会干扰立管后方流场,引起尾流结构和涡脱落模式的改变,从而造成流体升力、阻力的变化。随着来流角α的增大,α在30°~60°时抑制效果较好,顺流向的阻力和横流向的升力均大幅减小;间距比G/D取0.2~0.3时附属控制管的布置方式对立管所受交变力的抑制效果最为明显。     

强潮河口排桩式丁坝局部冲刷试验研究

通过对强涌潮作用下单排及双排桩式丁坝局部冲刷的试验研究及钱塘江河口直立式丁坝局部冲刷的调查分析 ,认为在以粉沙土为基础的强潮河口利用抛石护桩可大大地缩短板桩的长度及减小截面尺寸 ,从而达到减少投资和增强排桩式丁坝自身稳定性的目的。通过试验 ,得到了强潮河口排桩式单、双排桩丁坝在块石防护下不同部位的局部冲刷特征。此外 ,半圆形透水坝头可使坝头冲刷坑深度提高 0 5～ 1 0m。