【摘要】：墩柱所受繞流阻力一直以來是流體力學(xué)所關(guān)注的焦點(diǎn)問題,具有十分重要的意義。方形作為墩柱結(jié)構(gòu)的一種重要截面形式,在實(shí)際工程中得到較為廣泛的應(yīng)用。本文基于方形墩柱繞流物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,分析了方形墩柱周圍的水流特性、并結(jié)合理論分析初步探討了方形墩柱繞流阻力形成機(jī)理及其與尾渦區(qū)之間的關(guān)系,研究可進(jìn)一步豐富現(xiàn)有繞流阻力理論,為今后水工建筑物的設(shè)計(jì)施工提供一定的參考。首先,基于壓力傳感器和粒子圖像測速技術(shù)對方形墩柱繞流進(jìn)行物理模型試驗(yàn)。利用圖像識(shí)別技術(shù)對方形墩柱周圍自由面形態(tài)的變化規(guī)律進(jìn)行研究,得到了墩前最大壅水值和墩側(cè)最大跌水值隨雷諾數(shù)(Re)的變化規(guī)律以及不同Re下水位沿程的變化特征;通過耦合分析不同Re下的中軸立面(y/D=0)時(shí)均流場和不同水深位置、不同Re下的平面時(shí)均流場,探究了方形墩柱附近的三維時(shí)均水流結(jié)構(gòu),同時(shí)得到相對水深位置(z/h)、Re對方形墩柱周圍流場結(jié)構(gòu)的影響;通過探討不同Re下中間水深平面(z/h=0.5)和中軸立面的時(shí)均渦量分布,得到了R 對方形墩柱附近時(shí)均渦量場的影響;結(jié)合理論分析,通過探討平面二維(z/h=0.5)和三維方形墩柱繞流阻力與尾渦區(qū)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)尾渦區(qū)時(shí)均相對面積((?))、時(shí)均相對體積((?))、無量綱時(shí)均繞流阻力((?))和無量綱化新型繞流阻力公式時(shí)均關(guān)系系數(shù)((?))與Re之間均存在較好的二次函數(shù)關(guān)系。在現(xiàn)實(shí)較大水流條件下,方形墩柱時(shí)均繞流阻力與尾渦區(qū)時(shí)均尺寸之間存在較好的線性關(guān)系。其次,基于大渦模型利用驗(yàn)證好的三維精細(xì)數(shù)學(xué)模型對方形墩柱繞流進(jìn)行數(shù)值模擬研究。采用流體體積函數(shù)輸運(yùn)方程對方形墩柱繞流自由液面進(jìn)行追蹤,得到不同Re下自由面的形態(tài)特征;對方形墩柱附近平面瞬態(tài)流場以及尾渦脫落頻率進(jìn)行詳細(xì)分析,得到在Re=15000時(shí),斯特勞哈爾數(shù)Si≈0.139,與前人結(jié)果相同;通過探討不同Re下的方形墩柱附近近床底(z/D=0.01)平面和中心面處(x/D=0.5)橫斷面的時(shí)均流場結(jié)構(gòu),進(jìn)一步補(bǔ)充分析方形墩柱附近水動(dòng)力特性;最后基于數(shù)值模型,進(jìn)一步探討了三維方形墩柱繞流阻力與尾渦區(qū)體積之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)與物理模型試驗(yàn)結(jié)果相似,(?)、(?)和(?)與R之間均存在較好的二次函數(shù)關(guān)系,方形墩柱整體時(shí)均繞流阻力與尾渦區(qū)時(shí)均體積之間存在較好的線性關(guān)系。并對比分析了兩種研究方法下(?)、(?)、(?)和(?)的差異。
【圖文】：

直接關(guān)系到水工建筑物的設(shè)計(jì)、施工等一系列工程實(shí)際問題。據(jù)某媒體的不完僅２００７－２０１１年５年之間國內(nèi)就有３７起橋梁墩柱垮塌事故，，造成了邋１８２人死人受傷的嚴(yán)重后果，橋梁災(zāi)害頻發(fā)給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的危害［２］。害的原因很多，其中最主要的原因就是墩柱水毀現(xiàn)象，像這樣由于建設(shè)初期設(shè)安全不達(dá)標(biāo)，對墩柱所受繞流阻力把握不到位等因素引起的橋梁事故數(shù)不勝數(shù)，逐年增長趨勢［３］。因而，對于方形墩柱繞流阻力的研宄具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。逡逑圖Ｕ墩柱普遍存在于港口、橋梁等水工建筑物中逡逑

就叫做旋渦阻力（壓差阻力）；水流對所繞物體的繞流阻力就由摩擦阻力和旋渦阻力這逡逑兩部分組成。對于實(shí)際水流當(dāng)中的墩柱繞流阻力，往往由于水流流速、墩柱尺寸等因素，逡逑繞流阻力以旋渦阻力為主，摩擦阻力可以忽略不計(jì)［４】，圖１．３為方柱繞流時(shí)均流線示意逡逑圖，圖１．４為方柱繞流受力分析示意圖。長期以來，繞流阻力的計(jì)算一直采用１７２６年牛逡逑頓提出的繞流阻力計(jì)算公式，牛頓繞流阻力公式的提出在很大程度上方便了實(shí)際工程應(yīng)逡逑用。但傳統(tǒng)的牛頓繞流阻力公式中所包含的繞流阻力系數(shù)，至今尚不能用理論計(jì)算，主逡逑要依靠試驗(yàn)來確定。理論分析和試驗(yàn)研宄表明，繞流阻力系數(shù)是與繞流物形狀及水流狀逡逑況有關(guān)的函數(shù)，其實(shí)驗(yàn)確定工作復(fù)雜繁瑣。加之傳統(tǒng)的牛頓繞流阻力公式是通過實(shí)驗(yàn)而逡逑形成的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，缺乏很好的物理解釋，不便于人們對繞流阻力的形成機(jī)理形逡逑成更深刻的認(rèn)識(shí)。因而，有必要對繞流阻力的機(jī)理進(jìn)行深入分析，并試圖建立便于工程逡逑應(yīng)用且具備更好物理意義的新型繞流阻力公式。逡逑靜水中
【學(xué)位授予單位】：長沙理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TV135

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2710592