数值模拟结果分别如图和表示。对于这两个桥墩而言，速度向量场清楚显示出柱体后面有个分离区。分离点位置在下游水流表面延伸比基床附近更远。这两个模拟流态几乎是相同。在图中，通过接近平均流速确定无因次速度。图水面附近单相模拟速度矢量下降流之所以会形成，是因为非均匀渐变流接近桥墩逆流面从而产生负黏滞压力坡度。下降流和水平边界层分离之间相互作用接近河床导致涡旋系统形成。随着俯视图中桥墩周围马蹄形漩涡变形，这个漩涡系统两端被下游水流扫除。漩涡明显影响了桥墩底部冲刷过程。图和分别表示轴方向小尺寸数值模拟模型和大尺寸数值模型相对速度等值线。它们形状非常相似。然而，桥墩附近数值是截然不同。轴方弗劳德相似性准则中得到结果进行比较来研究。流体动力学方程中动力相似以相似理论为基础物理建模已经广泛应用于研究桥墩周围紊流和泥沙冲刷。在美国联邦公路局编订手册中，泥沙冲刷方程是从以弗劳德相似准则为基础小规模实验室试验中得来，由于同时满足弗劳德相似准则和雷诺相似准则比较困难，所以在这些试验中忽略了雷诺数和紊流影响。尽管通常情况下弗劳德相似准则在表面重力水流中扮演着重要角色，对于桥墩周围水流而言，紊流影响也并不是可以忽略不计。在这项研究中，数值模拟通过桥墩附近紊流和桥墩周围紊流和冲刷比尺效应建模研究第页共页泥沙冲刷应用弗劳德相似准则物理模型来检查。参考，无因次流体动力学方程可以表示如下连续方程动量方程无量纲变量可以表示为这些方程表明，如果两个系统几何相似并受这些方程约束，而且如果对于这两个系统而言四个参数相等且无量纲形式表达初始条件也相同，那么解决方案将会相同。这两个系统也动态相似。在实验室实验中，两个系统除了满足动态相似还应满足动力相似，如果相应力都是相同比例。则力比雷诺数和弗劳德数是流体力学中最常遇到无量纲参数。般来说，在实验室实验中很难满足雷诺相似准则和弗劳德相似准则。就桥墩周围自由表面重力流而言，在实验室试验建模中弗劳德相似准则是最常选择。因此，这桥墩周围紊流和冲刷比尺效应建模研究第页共页意味着在动量方程中方程中与雷诺数相关量从这项研究中忽略，这将产生较大误差。雷诺兹和弗劳德相似准则比例可以在中找到。数值模型验证等进行了系列试验来研究桥墩模型周围冲刷发展。试验在型矩形深宽玻璃明渠水槽中进行。水槽中心设置单桥墩结构。只研究清水平床条件。上游没有泥沙流入冲刷洞。试验在不同试验期间末尾时刻停止，以确定桥梁桥墩周围冲刷洞等值线，即第和时刻。选择直径为桥墩试验数据与数值模拟结果进行比较。用于制作基床材料是给定重度为石英砂，平均粒径为。这些材料在水槽基床上放置厚层。数值模拟是根据实验条件而定。数值模拟几何设置如图所示，由生成计算域网格如图所示。圆柱体附近网格设置得更加密集，因为该区域流态比较复杂。入口边界被放置在桥墩左边，距桥墩中心是桥墩半径。边界类型设置为速度进口型。根据试验，匀速应用于这个进口边界。出口边界设置在右边距离桥墩中心地方。边界类型设置为坡度自由出流。速度大小设置等于自由出流因素中最接近值。在下游出口，所有不确定变量正常坡度都设置为，即下游变量是从内部范围向外推导。为了简化模拟，在顶部水面设置固壁边界。为了模拟局部冲刷和简化问题，应用了两相水和沙欧拉模型。顶层是水相和底层是沙颗粒相。图桥墩冲刷几何设置桥墩周围紊流和冲刷比尺效应建模研究第页共页俯视图立体视图图桥墩局部冲刷三维数值模拟计算网格观察到最大冲刷深度发生在圆柱桥墩上游水面中间点上。泥沙颗粒在桥墩上游侧变化是因为有马蹄形漩涡。随着时间变化冲刷洞不断扩大，马蹄型漩涡强度减弱，形成较小冲刷发展速率，冲刷深度值接近个平衡渐近值。在测试时间结束时获得桥墩周围等高线如图所示。在时，桥墩局部冲刷数值模型模拟结果如图所示。圆柱桥墩前最大冲刷深度和最深冲刷洞与等进所做试验很合理达成致。这表明模拟冲刷模式与实际观测相符合。图测试时间结束时获得桥墩周围等高线桥墩周围紊流和冲刷比尺效应建模研究第页共页定床紊流建模比尺效应为了研究桥墩周围紊流比尺效应，建立了两个不同尺寸数值模拟模型。小尺寸数值模拟模型代表物理模型，大尺寸数值模拟模型代表原型。它们是几何相似。根据弗劳德数相似准则设置边界条件。因此，它们同时满足几何相似和弗劳德数相似要求。然而，这个模型有所失真，因为它们不满足雷诺数相似要求。小尺寸数值模拟模型模拟结果是用来预测依据相似理论建立大尺寸数值模拟模型，数值模拟目是检验桥墩周围流场区别。为了简化问题和避免泥沙回淤，只使用单相水模型模拟。三维计算流体动力学模型程序即软件，用来验证在这个模拟中桥墩周围紊流比尺效应。几何设置用于数值模拟小尺寸模型和大尺寸模型几何尺寸。它们尺寸设置如表。它们几何相似且长度相似比。表定床条件下小尺寸和大尺寸数值模拟几何设置模型网格设置由生成模拟网格，如图所示。在这使用多块网格生成技术来生成网格。桥墩附近网格比其它区域密集，这是因为这个区域水流更为复杂。边界条件设置在入口边界，边界类型设置为速度进口型。给出了均匀流流速分布小尺寸模拟模型和大尺寸模拟模型。流速比尺是。它等于长度比尺平方根。它们满足弗劳德数相似要求。在下游出口，边界类型设置为自由出流型。所有正常坡度相关变量都设置为即在下游末端变量是从内部领域推导出来。小尺寸模型大尺寸模型水槽长度水槽宽度水槽水深柱体直径桥墩周围紊流和冲刷比尺效应建模研究第页共页图模拟中使用网格在水流顶部，使用固壁边界条件。即没有对流流量也没有扩散流量通过表层。这表明，正常速度分量以及所有变化水流法向坡度都是。固定水槽水面高度。给定出口处水面高程。在底部设置固壁边界条件。结果与分析小尺寸模拟模型和大尺寸模拟模型桥墩周围流场数值模拟结果分别如图和表示。对于这两个桥墩而言，速度向量场清楚显示出柱体后面有个分离区。分离点位置在下游水流表面延伸比基床附近更远。这两个模拟流态几乎是相同。在图中，通过接近平均流速确定无因次速度。图水面附近单相模拟速度矢量下降流之所以会形成，是因为非均匀渐变流接近桥墩逆流面从而产生负黏滞压力坡度。下降流和水平边界层分离之间相互作用接近河床导致涡旋系统形成。随着俯视图中桥墩周围马蹄形漩涡变形，这个漩涡系统两端被下游水流扫除。漩涡明显影响了桥墩底部冲刷过程。图和分别表示轴方向小尺寸数值模拟模型和大尺寸数值模型相对速度等值线。它们形状非常相似。然而，桥墩附近数值是截然不同。轴方桥墩周围紊流和冲刷比尺效应建模研究第页共页，，，，，fifi，flfl，，fl，fl，，，flfl，桥墩周围紊流和冲刷比尺效应建模研究第页共页，弗劳德相似性准则中得到结果进行比较来研究。流体动力学方程中动力相似以相似理论为基础物理建模已经广泛应用于研究桥墩周围紊流和泥沙冲刷。在美国联邦公路局编订手册中，泥沙冲刷方程是从以弗劳德相似准则为基础小规模实验室试验中得来，由于同时满足弗劳德相似准则和雷诺相似准则比较困难，所以在这些试验中忽略了雷诺数和紊流影响。尽管通常情况下弗劳德相似准则在表面重力水流中扮演着重要角色，对于桥墩周围水流而言，紊流影响也并不是可以忽略不计。在这项研究中，数值模拟通过桥墩附近紊流和桥墩周围紊流和冲刷比尺效应建模研究第页共页泥沙冲刷应用弗劳德相似准则物理模型来检查。参考，无因次流体动力学方程可以表示如下连续方程动量方程无量纲变量可以表示为这些方程表明，如果两个系统几何相似并受这些方程约束，而且如果对于这两个系统而言四个参数相等且无量纲形桥墩周围紊流和冲刷比尺效应建模研究第页共页中文字出处桥墩周围紊流和冲刷比尺效应建模研究黄文锐，杨齐平，肖鸿美国佛罗里达州塔拉哈西市街号室佛罗里达农工大学佛罗里达州立大学工程学院土木与环境工程系美国佛罗里达州塔拉哈西市佛罗里达州立大学工程学院土木工程系论文信息论文历史年月日收稿年月日修回年月日接受年月日在线刊登摘要桥墩周围泥沙冲刷是个全国关注问题，因为近年来它导致桥梁破坏超过其它所有原因。现有桥梁冲刷方程出自，它是由规模相对较小实验室研究推导得来。实地研究，桥墩冲刷预测和实时实地测量分析。第国际会议期刊基础冲刷，德州工农大学学院站，德克萨斯州，美国表明很难从大型桥墩获得现场数据验证冲刷方程。在这项研究中，数值模拟计算用模型进行检验紊流和泥沙冲刷比尺效应。对于大尺寸模型而言，物理模型试验和边界速度来自于小尺寸模型，这些小尺寸模型是以弗劳德相似准则为基础。水流和泥沙冲刷结果是由以下两种同方法得来广泛应用于物理建模弗劳德相似准则原尺寸建模。在物理建模中，忽略了雷诺数影响，而模型却不同与此，它采用二阶紊流模型计算紊流速度和泥沙冲刷。紊流和泥沙冲刷比尺效应是通过将来自于原尺寸数值模拟结果和来自于弗劳德相似准则研究方法结果进行比较来研究。爱思唯尔有限公司年版，公司保留所有解释权。桥墩周围紊流和冲刷比尺效应建模研究第页共页引言桥墩周围局部冲刷带来威胁近几年备受关注。根据理查森等，桥墩周围局部冲刷是导致桥梁破坏最主要原因之。可以观察到在桥墩周围自由表面流向下运动会形成马蹄形漩涡和漩涡阴影，在桥墩前后和周围紊流加剧。此外，在桥墩周围松散层观察到个造型独特冲刷洞。试验研究发现，在冲刷洞发展中水流和输沙过程是非常复杂。对桥墩局部冲刷研究开始于实验室试验。研究在长收缩段中清水冲刷做为几何流量和泥沙函数关系。他开发了个桩或桥台冲刷深度平衡程。等，进行了项实验，这些实验都使用单圆柱体直径和泥沙粒度，但是水力条件水深和水深平均流速会改变，以同时包括清水和着床条件。他们开发了冲