串列三圓柱橋墩間距與交角對水流的偏導作用

(1.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學 河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038；3.南水北調中線干線工程建設管理局河北分局，河北 石家莊 050035)

橋梁建設是常見的涉河建設內容，橋梁是兩岸物質運輸、人員流動的重要載體，同時橋梁建設對河流的擾動影響著河流的度汛安全[1-2]。我國《防洪法》第二十七條中規定涉河項目建設應符合防洪標準，不得危害堤防安全、影響河勢穩定、妨礙行洪暢通等，在實際工程中橋梁橋墩繞流在多方面對河流的防洪安全有著復雜的影響[3-4]。在發生歷時洪水時，涉河橋梁對所在河段的防洪安全影響主要包括橋前壅水與水流經過橋梁時橋墩繞流改變原有河勢，主要體現在水力因素與泥沙因素[5]。就橋前壅水而言，國內外已取得了諸多計算及實際工程經驗，在單圓柱與雙圓柱橋墩、橋河正交與斜交，單線、雙線以及多線橋梁布置工程條件下，對其進行試驗研究并取得符合相應工程條件的計算公式及計算方法[6-11]。在橋墩繞流方面，由橋墩對水流的擾動改變河流原有的河勢，對下游防洪安全產生諸多不可控因素，當橋河斜交時相對使下游橋孔的平均流速比同跨類型正交橋增大10%～15%，在計算橋墩基礎埋深時應將設計流速增大10%～15%[12]。同時,由于相鄰橋墩間的壓縮作用使水流向一側偏轉，對河流行洪不利。在斜交角度小于60°時，李付軍等[13]建立的偏角公式與試驗資料吻合較好。在一組橋墩含多個橋墩串聯時，對水流的導流作用及合適布置形式尚未有明確結論。對于一般的實際工程水力學問題，通常采用實體物理模型試驗與計算機仿真數值計算兩種方法。實體物理模型的傳統水力學試驗，其受場地、人力、造價等因素影響，具有不便性和研究周期較長等缺點。數值方法具有不受場地影響，更加方便快捷等優勢。經過前人不斷完善流體力學及計算水力學的基本理論，隨著計算機計算性能的提高，以及大量的實際工程經驗，得到了很多適用于水力學湍流計算模型及實際工程的計算軟件。MIKE21 HD中水動力學模塊適用于河流水力學計算[14]。HEC-RAS常用于工程水面線的計算，鄧顯羽等[15]運用該軟件對密江特大橋進行了防洪評價。FLUENT 是目前應用比較廣泛的流體力學商業計算軟件。何國建等[16]基于FLUENT軟件運用標準k-ε湍流模型進行了橋墩群河道水流的三維數值分析。本文基于FLUENT軟件，應用標準k-ε湍流模型模擬了串聯三圓柱形橋墩在順直來流條件下的繞流流場，分析了單組串聯三圓柱橋墩在橋墩串聯軸線與水流夾角和不同橋墩間距不同排列組合作用下，對水流偏導作用的機理及由于繞流尾跡偏轉致使橋墩下游漩渦阻力分布不均對水流偏導的作用程度。

1 數值方法

1.1 計算工況

為了探究串聯圓柱形橋墩對水流的導流作用及不同布置條件下對水流的導流程度，取串聯圓柱橋墩串聯軸線與水流夾角和相鄰圓柱橋墩間距兩個控制因素，進行排列組合進行多種工況模擬分析。在初始流速分別為0.5m/s和1.0m/s兩種來流條件下,對圓柱圓心間距L與直徑D比分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，橋墩串聯軸線與夾角分別為5°、10°、15°、20°、25°、30°組合工況進行模擬研究。每組流量30種工況，共計60組。具體尺寸以及角度組合的模擬工況見表1。

表1 模擬計算工況

1.2 模型建立

為了建立更加有效合理的計算區域模型，整個計算域模型以單個繞流圓柱橋墩直徑為單位，直徑D為2m。模擬水道長300D，寬20D，繞流橋墩直徑為1D，其中間圓柱中心距左側進口100D，串聯三圓柱形橋墩布置以中間圓柱為中心并按中心對稱排列(見圖1)。

圖1 二維計算水槽模型

1.3 網格劃分

采用三角形網格對整個計算域進行劃分，為提高計算精度同時兼顧計算效率，圓柱向四周由密變疏，網格尺寸增長率為1.05，見圖2。同時為了進一步提高圓柱繞流邊界層的計算精度和仿真真實性，對圓柱周圍重新劃分網格，采用矩形網格，由邊界向四周的網格尺寸增長率為1.1(見圖3)。

圖2 整體計算網格

圖3 圓柱邊界局部網格

1.4 計算湍流模型

在計算流體力學方面，經過前人的不斷探索改進已有不少成熟的湍流計算模型，本文采用標準k-ε湍流模型進行模擬計算。在標準k-ε模型中輸運方程為

Gk+Gb-ρε-YM+SK

(1)

(2)

湍流耗散率計算如下:

式中：Gk為平均速度的湍動能生成率；Gb為浮力產生的湍動能；C1ε、C2ε、C3ε為常數；σk、σε為有關湍流的普朗特數。

2 模型驗證

2.1 繞流水力特性驗證

繞流阻力系數對比見表2。將雷諾數Re=2×104對單圓柱繞流阻力系數與前人的研究成果進行比較，對比結果表明本文數值計算結果與文獻[17]、[18]數據吻合很好。

表2 繞流阻力系數對比

2.2 繞流流場結構驗證

對比文獻[19]通過物理水槽模型試驗對單圓柱橋墩繞流所得結果，本文所得橋墩繞流流場結構(見圖4)與物理試驗結果流場結構在尾跡擺動、渦體分布規律上相似。

綜上，本文建立的數學方法得到了合理的數值解，滿足計算求解需要。

圖4 單圓柱繞流尾跡

3 結果分析

3.1 繞流局部流場結構

當液體流經圓柱體表面時，所受的阻力有兩種：一是作用在圓柱表面的摩擦阻力，二是漩渦發生引起的漩渦阻力。串聯多圓柱串聯軸線與水流方向成一定夾角時，由于串聯圓柱形成類似導流墻，對水流具有偏折作用。由圖5可以看出，在圓柱橋墩間，因橋墩間對水流相互壓縮作用，圓柱繞流尾跡向左側偏轉，致使因漩渦產生的漩渦阻力主要集中左側，在串聯圓柱左側形成高阻低流速區，過流能力驟減，河流主要過流向另一側集中。因此，圓柱對水流的偏導作用主要由兩方面組成：一是串聯多圓柱成一定角度時形成類似導流墻對水流的折射作用；二是前方圓柱后的回流區受后方圓柱的壓縮作用偏向一側，使漩渦阻力向一側集中，增大動能損失減小過流流量。

圖5 串聯三圓柱繞流局部流速矢量

3.2 尾跡偏轉

在順直水流條件下，單圓柱的繞流漩渦阻力在圓柱后部，圓柱后部的脫落渦對稱分布或左右交替對稱。在串聯多圓柱時，由于圓柱間對繞流邊界水流的壓縮作用，串聯軸線與水流成一定夾角會使圓柱后部的尾跡回流區發生一定的偏轉，漩渦阻力向一側集中，如圖5為漩渦阻力區，水流因漩渦阻力造成的動能損失增大，使過流能力減小。由于橋墩間的壓縮作用對水流的壓縮影響，圓柱繞流分離點左右呈不對稱分布，水流受偏導作用使圓柱后尾跡回流區偏向一側。定義左右分離點連線的法向方向與水流方向夾角為繞流尾跡偏轉角度β。

3.2.1 第一根橋墩繞流尾跡偏角β1

水流過第一橋墩向兩側均勻分流后，繞流尾跡受橋墩間壓縮影響，繞流尾跡向一側偏轉。繞流偏轉角度與橋墩串聯軸線與水流方向夾角呈正相關。在橋墩串聯軸線與水流方向夾角一定時，橋墩間距在2.0D～4.0D范圍內，橋墩間距越小壓縮作用越明顯，偏角越大。根據模擬結果(見圖6)，在橋墩間距為4.0D時，偏角不超過2.5°。橋墩串聯軸線與水流方向夾角為5°時偏角不超過2°。此時繞流尾跡偏轉較小，水流受漩渦阻力分布不均引起的偏導作用較小。

圖6 第一根橋墩繞流尾跡偏角

3.2.2 第二根橋墩繞流尾跡偏角β2

相較于第一個橋墩，中間橋墩繞流受前后橋墩的兩方向壓縮作用，繞流尾跡偏角相較于前面橋墩繞流尾跡偏角明顯增大。由圖7可以看出，當橋墩間距一定時，在橋墩串聯軸線與水流方向夾角在5°～16°范圍內，繞流尾跡偏角隨橋墩串聯軸線與水流方向夾角正相關且增長迅速。在16°～30°范圍內，橋墩間距為2.0D時，尾跡偏轉角度緩慢增長；橋墩間距為2.5D～4.0D時，串聯軸線與水流方向夾角在16°左右達到最大值，尾跡偏轉角度開始緩慢減小。另外，在夾角為5°時，尾跡偏角非常小，在5°～10°之間偏轉角增加明顯，在10°～15°時增長最為迅速。

圖7 第二根橋墩繞流尾跡偏角

當串聯軸線與水流夾角一定時，在5°～13°范圍內，繞流尾跡偏角與橋墩間距呈正相關；在13°～30°時，繞流尾跡偏角與橋墩間距呈負相關；夾角為13°時，在任一橋墩間距下，繞流尾跡偏角相等。

4 結 論

通過數值模擬進行串聯三圓柱在橋墩間距2.0D～4.0D范圍內，橋墩串聯軸線與水流夾角對水流偏導作用分析得出如下結論：

a.串聯多圓柱橋墩對水流的偏導作用主要表現在：串聯橋墩形成的類似導流墻對水流的反射作用和橋墩繞流尾跡受壓縮作用向一側偏轉使漩渦阻力向該側集中，致使水流動能損失增大，過流能力降低。

b.第一個橋墩尾跡偏角與橋墩串聯線和水流夾角呈正相關，與橋墩間距負相關。

c.第二個橋墩尾跡偏角在橋墩間距2.5D～4.0D范圍內，偏角隨橋墩串聯線和水流夾角先增大后減小。在橋墩串聯線和水流夾角在5°～13°范圍內偏角與橋墩間距正相關，在13°～30°范圍內負相關。

本文利用FLUENT軟件對串列三圓柱橋墩在不同橋墩間距以及不同串列軸線與水流方向夾角組合工況進行模擬研究。根據模擬結果，分析了串列三圓柱橋墩對水流的偏導作用，為涉河橋梁工程規劃、設計、建設以及河道防洪提供參考。