圆柱形桥墩周围局部冲刷的三维数值模拟

为预测圆柱形桥墩周围的局部冲刷坑形态和发展,基于计算流体动力学和泥沙运动理论开展了桥墩周围局部冲刷的三维数值模拟。首先使用雷诺时均Navier-Stokes方程和标准K-ε湍流模型对圆柱形桥墩周围三维复杂流场进行数值模拟,将床面瞬时切应力作为泥沙起动及运输的水动力学条件,计算出床底泥沙的单宽体积输沙率,以此为基础得到河床高程坐标的瞬时变化;再采用边界自适应网格技术修改动边界计算域网格,计算得到圆柱形桥墩周围局部冲刷坑的演化过程。结果表明:桥墩周围局部冲刷三维数值模拟结果与试验结果基本一致,数值模拟方法能用来预测圆柱形桥墩周围的局部冲刷情况。     

阿什河哈尔滨城区段桥墩冲刷计算

桥梁墩台冲刷会大大影响桥梁基础的稳定,威胁桥梁自身安全。该文在简要分析国内外桥墩冲刷研究的基础上,对桥梁一般冲刷和局部冲刷的计算方法进行介绍。根据阿什河哈尔滨城区段河道水文、水流、泥沙、地质特征和桥梁参数,选择了包达尔可夫公式对影响河道行洪较大且等级较高的公路桥梁和铁路桥梁进行桥墩冲刷计算。最后,根据计算结果对不同桥梁提出扩孔和桥墩防护措施建议。     

桥梁基础局部冲刷CFD模拟的研究进展

局部冲刷是涉水桥梁失效的主要原因之一。合理的桥梁基础局部冲刷估计，对保证桥梁基础的设计、施工和维护具有重要意义。基于CFD开展桥梁基础局部冲刷研究具有现场观测和水槽试验不具备的诸多优点。首先阐述了桥梁基础局部冲刷CFD模拟的控制方程、湍流模型和泥沙输运模型，以及报导的主要CFD模拟软件；介绍了国内外研究进展，总结了现有研究存在的不足，分析了其中的原因，探讨了局部冲刷CFD研究的发展方向。分析表明，现有CFD局部冲刷研究存在流动Re数过小、未考虑来流湍流特性或来流湍流特性估计不足、湍流模型对流动的非定常特性捕捉不足，以及采用经验性的定常流泥沙输运模型等问题，使得局部冲刷坑形态和最大深度估计与试验不符。一种有望解决上述问题的途径是采用大涡模拟数值求解欧拉-欧拉两相流方程，通过求解流体相和泥沙相的质量和动量方程，采用合适的泥沙相和流体相的压格子封闭模型，并合理模拟泥沙相内相互作用和泥沙相与流体相的相互作用，通过组合壁函数实现高效数值求解，以获得桥梁基础局部冲刷的合理估计，从而推动局部冲刷CFD模拟向大尺度模型和高流动Re数发展。     

受冲刷桥梁墩台基础地基承载力试验与墩台稳定性研究

结合依托工程进行墩台基础地基的承载力试验,研究冲刷对桥梁墩台基础稳定性的影响。冲刷是引起桥梁水毁的一个重要因素,前人研究大多致力于对局部冲刷深度和一般冲刷深度的计算分析。因其因素复杂,研究大多采用了半理论半经验的方法。围绕着湘黔铁路线上的资水大桥受冲刷后的稳定性展开研究,进行受冲刷墩台基础的地基承载力试验,从基底被冲刷淘空后引起的墩台地基不均匀沉降人手,应用弹性半空间地基模型和Matlab编制的计算程序分析计算了基底不同冲刷淘空面积对桥墩墩顶弹性水平位移和基底压应力的影响,从而得到了在不同冲刷程度下桥梁的整体稳定情况。根据计算结果,用最小二乘曲线拟合法找出了影响曲线表达式并绘出了图形。计算结果显示,在发生小面积冲刷时,墩顶弹性水平位移率先达到允许值。此外还将该方法分析计算得到的数据于有限元方法分析得到的数据进行了比较,2种分析方法所得的结论相互验证。结果表明该分析方法是一种解决此类问题的有效方法,检算项目的影响曲线可以作为其它类似问题的参考依据。     

桥梁水毁研究综述

近年来，桥梁水毁日益频发，已成为桥梁倒塌失效的首要因素。从冲刷、洪水2类最主要的水文因素出发，充分结合历史数据，分析并对比其对桥梁水毁的影响程度与规律；并按2类水文因素所对应的不同桥梁倒塌失效模式，对桥梁水毁现有的研究工作和方法进行总结归纳；最后，聚焦实桥应用，对现有桥梁水毁监测和诊治手段进行全面梳理。综述可得以下结论：①冲刷是导致桥梁水毁的最主要因素，所致失效桥型以桁架桥、梁桥、拱桥为主，桥梁服役时间、结构安全状态、年平均径流量均与桥梁所受冲刷程度存在较强相关性；②冲刷坑空间形态数值仿真与试验结果仍有一定差距，其泥沙模型缺少考虑床沙级配的影响，经验公式法尚需突破计算维度的局限性，完善考虑时间因素和黏性土的冲刷深度预测；③现阶段洪水波流竖向升力计算公式较少考虑脉动压力，浪荷载水槽试验尚未完全探明波浪特性与作用力间的联系，桥梁可靠度研究多见以冲刷为主的多灾害下联合效应计算，仍缺少波流、浪力作用与地震动水作用等其他灾害联合作用的深入探讨；④桥梁抗水目前仍局限于流场与结构域的独立研究，未见不同水文因素下基于结构域-流场多场耦合的桥梁失效模式分析；⑤雷达、声波以及潜水员水下检测是现阶段桥梁冲刷主流监测方式，桥梁冲刷动力识别适用于复杂环境下大规模、区域性桥梁检测，但仍有待进一步的应用研究，而既有桥梁水毁诊治手段在具体实施时需因地制宜，避免反而加剧水文病害。     

上海长江大桥桥墩冲刷坑深度研究

在对长江口北港水沙条件以及河势进行分析的基础上,采用局部三维泥沙数学模型和局部正态物理模型2种手段预测上海长江大桥桥墩冲刷坑的最大冲刷深度,三维泥沙数学模型和局部正态物理模型的边界条件由大范围的长江口二维水流数学模型的计算结果提供.结果表明,2种手段预测得到的桥墩冲刷深度较为接近,可为桥梁设计提供科学依据.     

钱江四桥桥墩局部冲刷试验研究

桥墩局部最大冲深和冲刷部位是桥墩墩台设计和施工的重要参数，为此应用系列模型延伸法进行不同比尺的桥墩冲刷深度试验，然后利用试验数据进行回归分析，得到桥墩冲深计算式，经检验与实测基本相符，为桥墩设计和施工提供了科学依据。     

台阶型沉井水动力特性及局部冲刷影响研究

为了解台阶型沉井附近水动力特性及沉井台阶位置对局部冲刷的影响,以优化沉井结构,以某桥大型台阶型沉井为背景,通过流体计算软件C FD建立三维定床水动力模型,分析该沉井台阶设置对水流流速和流速矢量、湍流动能、床面切应力等沉井附近水动力特性的影响规律;通过物理模型动床试验,分析台阶位置对最大局部冲刷深度的影响.结果表明:通过...     

桥梁冲刷深度计算方法评价及基础合理埋置深度研究

冲刷深度的预测及基础埋置深度的确定是桥梁设计中的重要环节.然而,由于桥梁冲刷机理复杂、影响因素众多,导致现阶段提出的各类预测方法存在较大差异,且适用范围不完全相同,所以在桥梁建设中选择合适的冲刷深度计算方法较为复杂.首先对现阶段常用的桥梁冲刷深度计算方法进行阐述.随后,以单柱墩为研究对象,采用FLOW-3D建立有限元分...     

串列双圆柱桥墩局部冲刷精细化模拟

为研究不同墩心距下沿流向串列布置的双圆柱桥墩局部冲刷坑形态的变化规律，提出1种平衡湍流边界层模型以获得稳定的湍流来流边界条件；利用雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型求解河床上双圆柱桥墩周围的复杂绕流场；基于能考虑河床面任意斜坡和泥沙坍塌效应的泥沙输运模型和动网格技术模拟双圆柱桥墩局部冲刷的动态演化过程，得到平衡冲刷坑形态，揭示冲刷发展过程的流动特征和冲刷机理。模拟结果与中美规范局部冲刷预测结果比较表明：串列双圆柱桥墩之间存在干扰效应；受下游桥墩施扰，最大冲刷都发生在上游桥墩，冲刷深度比单圆柱桥墩大，当墩心距L与桥墩直径D之比L/D=4时，达到最大值；而下游桥墩受上游桥墩遮挡的影响，最大冲刷深度在L/D=2时达到最小值，随着墩心距的增大，下游冲刷深度增大；当墩心距大于5倍桥墩直径后，下游桥墩可不考虑遮挡效应；获得的串列双圆柱桥墩最大冲刷深度值与美国规范预测值较为接近，而中国规范公式预测值偏小，提出的下游桥墩冲刷深度遮挡因子可为桥梁抗冲刷设计提供参考。     

桩基非对称局部冲刷条件下土体应力变化解析解

传统桩基局部冲刷坑模型主要采用对称形态的坑体来分析,然而实际问题中局部冲刷坑体常为非对称,这使得桩基处于更不利的状态。评价桩基承载力的关键之一是合理计算冲刷坑造成的土体应力状态变化。而对于桩周形成非对称冲刷坑时土体应力变化,目前仍然没有较为完善和严格的理论分析方法。针对该问题,根据已有试验得到的非对称局部冲刷坑形态,提出非对称冲刷坑内土体应力计算的平面应变简化模型;并基于弗拉曼解在半无限空间中的应用,将冲刷坑以上土体看做荷载并引起土体内应力重分布,得到非对称冲刷坑下土体应力分布计算的平面应变解析解。通过有限元中的"生死单元法"模拟非对称局部冲刷坑的形成过程,并将有限元得到的冲刷坑内土体应力结果与解析解计算结果进行对比,验证解析解的正确性。随后基于该方法考虑桩尺寸的影响,得到非对称局部冲刷坑形成后桩周土体的垂直及水平有效应力计算方法,并与有限元计算结果进行了对比。结果表明：在考虑桩尺寸时,解析解计算结果略保守。在此基础之上,对非对称冲刷坑参数的敏感性进行分析,指出桩上、下游侧冲刷深度差值对桩周土体的应力影响较大,得到了非对称冲刷坑下桩周土体的垂直有效应力及水平有效应力差的变化规律,研究结果可为工程设计提供参考。     

湍流DSRFG与LES风场沿计算域流向变化的影响因素

为生成满足桥梁风工程大涡模拟（LES）要求的入口湍流风场,以丹麦大带桥桥址风特性为例,采用离散再合成的随机流动生成（DSRFG）方法合成了满足目标湍流度、积分尺度、脉动风速谱及空间相关性等参数的各向异性湍流;讨论了DSRFG方法在生成湍流风场上关键参数的合理取值;基于Fluent平台,通过自主开发的用户自定义函数（UDF）程序将生成的湍流风场赋给大涡模拟的入口边界,基于LES研究了不同网格尺寸和时间步长取值,入口湍流风场在计算域流向的变化规律。研究结果表明：DSRFG方法能生成满足桥梁LES模拟要求的指定湍流特性风场,产生的风场风谱和速度分量统计值与目标值吻合较好;入口湍流风场特性在计算域流向有较好的维持,脉动风谱在低频段与目标谱吻合较好,高频段出现一定衰减,而衰减起始频率随网格尺寸和时间步长的减小而增大。最后拟合了网格尺寸与脉动风谱衰减起始频率的关系曲线,建议了LES合适的网格尺寸和时间步大小,相关研究结果可为湍流风场模拟和桥梁风工程大涡模拟提供重要参考。     

非结构动网格方法在内燃机数值模拟中的应用

提出了一种动态层和弹性平滑结合的非结构动网格方法,在网格运动方向进行网格合并和分裂。由于动态层方法可视为网格重构方法的特例,提出了一种内燃机缸内过程处理的二阶精度的插值计算方法。当网格运动达到一定条件时,将多组网格层同时合并或分裂,减少了网格合并和分裂次数,提高了计算效率。对于流场计算部分,采用有限体积法离散流场控制方程,运用SIMPLEC算法求解NS方程,开发了内燃机三维CFD数值模拟程序,计算实例表明计算结果与试验值吻合较好。     

脉冲转换排气系统三维非定常流动计算研究

对大功率8缸柴油机采用的脉冲转换排气系统进行了三维非定常流动计算,针对发动机实际排气管形状,计算物理模型采用多面体网格单元,排气管进口边界条件采用简化的用于一维性能计算的质量流量条件,湍流模型采用标准kε-模型。结合对排气管开启、关闭时刻点以及排气最大流量点的分析,探讨了脉冲转换排气系统的流动机理。     

Locomotive dynamic performance under traction/braking conditions considering effect of gear transmissions

Traction or braking operations are usually applied to trains or locomotives for acceleration, speed adjustment, and stopping. During these operations, gear transmission equipment plays a very significant role in the delivery of traction or electrical braking power. Failures of the gear transmissions are likely to cause power loses and even threaten the operation safety of the train. Its dynamic performance is closely related to the normal operation and service safety of the entire train, especially under some emergency braking conditions. In this paper, a locomotive–track coupled vertical–longitudinal dynamics model is employed with considering the dynamic action from the gear transmissions. This dynamics model enables the detailed analysis and more practical simulation on the characteristics of power transmission path, namely motor–gear transmission–wheelset–longitudinal motion of locomotive, especially for traction or braking conditions. Multi-excitation sources, such as time-varying mesh stiffness and nonlinear wheel–rail contact excitations, are considered in this study. This dynamics model is then validated by comparing the simulated results with the experimental test results under braking conditions. The calculated results indicate that involvement of gear transmission could reveal the load reduction of the wheelset due to transmitted forces. Vibrations of the wheelset and the motor are dominated by variation of the gear dynamic mesh forces in the low speed range and by rail geometric irregularity in the higher speed range. Rail vertical geometric irregularity could also cause wheelset longitudinal vibrations, and do modulations to the gear dynamic mesh forces. Besides, the hauling weight has little effect on the locomotive vibrations and the dynamic mesh forces of the gear transmissions for both traction and braking conditions under the same running speed.     

Cycle-simulation turbulence modelling of IC engines

Numerical simulations of IC engines are of high interest for automotive engineers worldwide. The simulation models should be as fast as possible, low-computational effort and predictive tool. The correct prediction of turbulence level inside the combustion chamber of spark ignition engines is the most important factor influencing to the engine working cycle. This paper presents a development of the k-ε turbulence model applied to the commercial cycle-simulation software with the high emphasis on the intake part. The validation was performed on two engine geometries with the variation of engine speed and load comparing the cycle-simulation results of the turbulent kinetic energy and in-cylinder temperature with 3-D CFD results. In order to apply the cycle-simulation turbulence model for the simulation of entire engine map, the parameterization model of turbulence constants was proposed. The parameterized turbulence model was optimized using NLPQL optimization algorithm where the single set of turbulence model parameters for each engine was found. A good agreement of the turbulent kinetic energy during the expansion was achieved when the turbulence affects the flame front propagation and combustion rate as well.     

基于有限元水平地震荷载作用下土坡稳定性分析

基于GeoStudio有限元软件,分析水平向地震荷载对边坡稳定的影响,借助拟静力法和莫尔-库伦理想弹塑性模型在水平向地震荷载作用下的应力、变形,应用slope/w刚体极限平衡稳定分析程序与sigma/w有限元程序相结合的方法,以有限元矩形单元网格边界组成的锯齿状滑裂面替代传统的圆弧滑动面,对一土坡的稳定性进行了分析。计算结果表明,二者的计算结果相近,且在相同工况下有限元计算安全系数略大于刚体极限平衡法计算安全系数。     

轿车外流场的二维数值模拟

本文采用计算流体动力不方法数值求解Ｎ－Ｓ方程，模拟了轿车外流场，计算结果与风洞试验结果基本一致。