封冻河道中桥墩附近流场的数值模拟

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冰塞是指冰花或者碎冰在河道中聚集的现象,聚集停滞的冰块由于拥挤作用使水面流冰堵塞形成冰盖,冰盖的形成使水流的湿周增大,水流将冰块浮起,水流流速减小,过水断面增大,引起水位上升,这是冰塞对河流的一种影响,而跨河桥梁及其墩台的存在改变了河道中原有的冰塞水力特性,对河流的挤压为冰块的聚集提供了有利条件,加剧了河道中桥梁的安全威胁。冰盖下的桥墩局部冲刷是造成桥梁破坏失事的重要原因之一,对于桥墩周围水流流态的研究有助于对桥墩局部冲刷的研究。目前国内外许多学者和科技工作者进行了大量室内明渠水槽模型试验、野外测量和数值计算的研究,研究大多集中在明渠条件下单个桥墩周围的水流特性和紊流强度的研究,对封冻河道中单排桥墩、双排桥墩的情况却研究较少。本次研究以CRREL试验水槽为模型,通过Fluent软件,基于多相流理论,建立封冻条件下桥墩附近流场的三维标准k湍流数值模型。基于不同的桥墩直径、入口水流速度以及冰厚条件,研究分析单排圆柱形桥墩与双排圆柱形桥墩在不同工况条件下对桥墩附近流场的影响及两者的区别。模拟结果显示:单排圆形桥墩条件下水流对桥墩附近流场的影响比双排圆形桥墩条件更加强烈,桥墩附近的流速也相应的更大;封冻条件下入口水流速度越大对桥墩的冲刷越严重;冰盖厚度越大桥墩附近的动水压力越大,对桥墩冲刷越大;圆柱形桥墩直径越大,对河道过水断面的压缩越大,桥墩周围的流速越大,对桥墩冲刷也就越大。与CRREL水槽试验所得数据相比较,数值模拟研究得到的规律基本符合实验规律。
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