溃坝波对桥墩作用水力特性数值计算毕业论文

2020-02-18 12:02

摘要

我国水库众多，仅近库容10万m³以上的水库就有十万座,且大部分为中小型的土石坝。当坝体发生溃决，河流中的桥墩遭遇到溃坝波的作用有可能造成灾难性的后果，因此进行溃坝波对桥墩的水力特性研究具有重要的意义。

本文采用计算流体力学软件Fluent，采用标准湍流模型下的有限体积法进行模拟。针对经典的物理模型试验，对获得的总作用力（压力剪切力）、流速等数据，进行对比分析，验证了模型的有效性。通过改变溃坝水深的高度，进行了对桥墩所受溃坝波作用力的三维数值计算。并在此基础上，对同一溃坝水深下的单、双桥墩进行了比对。结果表明：在溃坝波通过桥孔时，随着桥墩数量的增加，过水面积减小，溃坝波下泄进一步受阻，桥墩迎水面水位进一步升高，双桥墩的作用力大于单桥墩的作用力。

关键词：溃坝；桥墩；数值模拟；湍流模型

Abstract

There are many reservoirs in our country. There are 100,000 reservoirs with a storage capacity of more than 100,000 m³, and most of them are medium and small earth-rock dams. When the dam breaks, the bridge piers in the river encounter the dam break wave, which may cause disastrous consequences. Therefore, it is of great significance to study the hydraulic characteristics of the bridge piers.

In this paper, the computational fluid dynamics software Fluent is used to simulate with the finite volume method under the standard turbulence model . According to the classical physical model test, the obtained total force (pressure shear force), flow rate and other data are compared and analyzed to verify the effectiveness of the model. By changing the height of the dam-break water depth, the three-dimensional numerical calculation of the dam-break wave force on the piers was carried out. On this basis, the single and double piers under the same dam-break water depth are compared. The results show that when the dam-break wave passes through the bridge hole, with the increase of the number of piers, the water passing area decreases, the discharge of the dam-break wave is further blocked, and the water level on the abutment surface of the pier further rises, with the acting force being greater than that of a single pier.

Key Words： dam break; Bridge pier; Numerical simulation; Turbulence model

第1章绪论 1

1.1研究目的与背景 1

1.2 研究内容 3

第二章理论基础 5

2.1软件介绍 5

2.1.1 Gambit 5

2.1.2 Fluent 6

2.1.3 Tecplot 7

2.2 湍流模式 7

2.3气液两相流数值模拟方法 9

2.3.1概述 9

2.3.2 VOF方法 9

2.4本章小结 10

第三章三维溃坝水流数值模型 11

3.1数值模型的建立 11

3.1.1控制方程 11

3.1.2物理实验模型 11

3.1.3边界条件 12

3.1.4计算网格 13

3.1.5计算参数设置 15

3.2计算结果分析 16

第四章溃坝波对桥墩作用力数值计算 19

4.1 1.8米溃坝水深时溃坝波对桥墩作用力的模型计算 19

4.1.1模型建立 19

4.1.2计算结果分析 22

4.2 2.3米溃坝水深时溃坝波对桥墩作用力的模型计算 24

4.2.1模型建立 24

4.2.2计算结果分析 25

4.3 2.8米溃坝水深时溃坝波对桥墩作用力的模型计算 26

4.3.1模型建立 26

4.3.2计算结果分析 27

4.4 3.3米溃坝水深时溃坝波对桥墩作用力的模型计算 29

4.4.1模型建立 29

4.4.2计算结果分析 29

4.5 3.8米溃坝水深时溃坝波对桥墩作用力的模型计算 31

4.5.1模型建立 31

4.5.2计算结果分析 31

4.6五种不同溃坝水深的溃坝波对桥墩作用力的数据对比 33

4.7 3.3米溃坝水深时溃坝波对双桥墩作用力的模型计算 34

4.7.1模型建立 34

4.7.2计算结果分析 35

4.8 3.3米溃坝水深时溃坝波对单、双桥墩作用力的数据对比 37

4.9 本章小结 38

第五章结论与展望 39

5.1 结论 39

5.2 展望 39

参考文献 40

致谢 42

第1章绪论

1.1研究目的与背景

目前在我国境内建设有近十万座库容10万m³以上水库,大部分为中小型的土石坝。2019年2月25日水利监督工作会议在北京召开，并对2019年水利安全生产工作要点、质量安全监督和稽察工作主要安排进行了说明。在这一次的水利监督工作会议中，水利部副部长叶建春明确表示，今年水利监督重点是6000座小水库、1000座水闸、3000村10000户农饮工程、172项重点工程稽察、水毁项目修复、脱贫攻坚任务落实情况等。尽管现在科学技术已经发展到了一定的地步，可以对大部分的水工结构物进行质量检测和修复，但仍存在因地理环境位置特殊或规模过小而被人忽略、存有安全隐患的情况。主要表现在以下几个方面：防洪的设计标准、水库大坝的设计结构是否合理、水库大坝的工程质量是否过关、水库的检验项目是否合格，比如抗震等级还有当水库发生险情时是否有健全的泄洪设备。并且存在很多由于强大的自然力量，譬如：暴雨、洪水、地震、泥石流、滑坡等和管理运营不善、设计不当、预警不准确等由人为因素而导致的河道、水库堤坝溃决。在我国，小型水库占比水库数总数量偏大。贾钦指出虽然小型水库的主要作用是防洪、蓄水，但与此同时也存在很大的安全隐患^[1]。坝破洪涝灾害的显着特点是：突然爆裂，大量的水排出，并且具备了较大的破坏力。一旦水库堤坝溃决，下游建筑物有可能遭遇溃坝波作用，影响建筑物的安全。更有严重者可能会威胁到周边居民的生命及财产安全。

溃坝波是一个典型的不利流动现象，大量的水在短时间内排出，并在下游产生洪水。水的突然下落会产生巨大的表面波，从结构和环境方面来看可能非常危险。因此，溃坝流量及其后果的分析和预测是一个至关重要的问题。

溃决的形态主要取决于大坝所在地库区的水位和坝体溃决处的位置、形状以及形成过程。大致可以分为四部分：坝体全部破坏的全溃坝；坝体部分破坏的局部溃坝；溃口突然出现的瞬间溃坝；溃口随水流的冲刷而逐步扩展的逐渐溃坝。

当坝体发生破坏时，水库内水体向下大量排水，坝址上游水位陡峭，下游水位急剧上升，流量状态急剧变化，形成独特的溃坝波现象波动。溃坝波属于明渠的非定常流动类别。在大坝坝体发生断裂时，波面陡峭，会在坝体裂缝附近分为逆水负波和平滑水正波，分别传播到坝址的上、下游。溃坝波的洪峰峰值非常大，水位上升时间非常短，加速度非常大。溃坝波也受到地形和地貌的影响，在传播过程中的流入和流出，导致洪水过程线的变化。在传播过程中，波浪通常伴随着折射和反射，叠加和碎裂，滚动和脉动。在传播过程中，波表面逐渐变平。向下游流动的正波称为溃坝洪水波。溃坝洪水波的特点是洪峰的水位下降，波形逐渐变平或分散，以及波浪的波速或到达时间的变化。溃坝洪水波的波前经常出现间歇波的形式，会造成巨大灾害。

溃坝水流是水柱的崩溃。最初，由于在重力的影响下移除了闸门或挡板而停止的。尽管这种重力驱动流很简单，但多年来对它们进行了许多数值、理论和实验研究。此类研究可作为验证计算流体动力学规范的一种手段，或者只是为了理解更复杂的相关流动，如沿海结构上的波浪载荷、储罐中的晃动载荷。

随着社会和经济的发展，越来越多跨河、海大桥建成并投入使用；由于受越来越频繁的极端天气的影响，大桥桥墩遭遇溃坝波冲击等极端情形的概率增加，因此进行溃坝波对桥墩作用水力特性数值计算，分析不同水深下大桥桥墩的受力特性，具有一定的工程应用价值和理论意义。

综上所述，溃坝波水流绕桥墩流动是复杂的三维非恒定流动。数值模拟是一直有效预报溃坝波传播、桥墩压力载荷的方法，但仍有很多问题尚未解决。

有鉴于此，本文拟通过商业软件Fluent，开展溃坝波对桥墩作用水力特性数值计算，分析溃坝波的传播特性，获得溃坝波对桥墩的压力载荷。为桥墩进行结构稳定性安全设计和溃坝波防害减灾提供一定的参考依据。

溃坝这一对自然社会与人类社会都有极大危害的事件常在猝不及防的情况下发生，很难既完全又可靠的获得发生危险地点的实测资料，因此研究溃坝波的主要途径是模型试验和数值计算，还要结合发生危险事件后的实地考察进行验证。模型试验大致上可分为正态试验和变态试验两大类。溃决后的水流波动的形态复杂、变化剧烈，所以宜选用灵敏度高的观察手段进行同步的多测点的观测。在数值计算方面，由质量、动量守恒律导出的具有垂线平均意义的圣维南方程可以进行一维空间和二维空间的溃坝波计算，并且需要结合给定的初值和边值条件进行的。目前一维空间的溃坝波计算日趋成熟，二维空间和三维空间的溃坝波计算目前还处于研究过程中。在简化计算方面，目前已能对断面为抛物线形的棱柱体河道提供瞬间水库坝体全部坍塌时的坝址水位和流量过程线。

由于我国的地形特征和桥梁业的迅猛发展，河道、坝体溃决所产生的迅猛水流对桥梁尤其是桥墩的冲刷侵蚀产生的影响不可小觑。冲积型河流中桥墩失稳与桥梁水毁的主要原因就是由桥墩冲刷导致的。何小兰和李强共同表明其冲刷原理是由于桥墩的阻水作用而产生螺旋流和一系列的泥沙运动^[2]。

刘杰运用fluent软件针对三维情况下的单桥墩受溃坝波冲击的影响进行了模拟，并得到在溃坝波的作用下，桥墩所承受的压力系数是以一种先增大后减小并且增大速率快于减小速率的形式体现的^[3]。武玉涛、任华堂和夏建新表明尽管圆柱绕流理论自1752年开始提出，至今以跨过了两个世纪，但它依旧是一个复杂多变的课题^[4]。武玉涛、任华堂和夏建新基于CFD软件平台在雷诺数为3900的条件下采用多种经典紊流模型进行数值模拟，并将模拟结果进行了比对分析^[5]。陈禹、李强和郭廷凯在雷诺数不同的条件下对圆柱绕流进行数值模拟研究^[6]。岳永威、李梦阳、孙龙泉等人也进行过类似的研究，基于计算流体力学的软件CFX、应用RNG k-ε湍流模型，并结合流体体积法（VOF法）进行考虑自由液面圆柱绕流数值模拟分析^[7]。田正野、罗红英则针对西藏的林芝八一大桥，采用大涡模拟进行数值模拟并对其结果进行了分析^[8]。毛青峰、张金团、梁东波等人进行了单圆柱绕流紊流流场数值模拟研究^[9]。此外还有针对不同桥墩形状进行的数值研究。譬如，鞠少栋、陈国明和盛磊祥利用Fluent软件对波状圆柱绕流进行了模拟和分析^[10]；曹洪建,万德成,杨驰则是使用了基于开源代码OpenFOAM并自我编程的求解器naoe-FOAM-SJTU对直立方柱绕流进行了数值模拟^[11]；崔宜梁、王海峰、李蒙等人运用Fluent针对单一雷诺数条件下，不同的圆柱间中心间距与圆柱直径的比值时串列双圆柱绕流流场进行了数值模拟研究^[12]。Wei Zhang等人对在单一雷诺数的情况下，对渠道中的串列柱体绕流进行了数值分析^[13]。SARVGHAD-MOGHADDAM Hesam等运用了Cartesian-staggered有限体积法对两圆柱桥墩绕流进行了数值模拟分析^[14]。Yong-tao WANG等对低雷诺数情况下不同直径的串列圆柱绕流进行了数值模拟研究^[15]。Ali Vakil、Sheldon I. Green对不同雷诺数、不同圆柱间距与圆柱直径的比值的二维绕流流场进行了研究^[16]。Yu Zhou、 Md. Mahbub Alam对两圆柱桥墩间的复杂流动问题进行了研究^[17]。丁冠乔、文军、柳楷等人在单一间隙比与单一雷诺数情况下、对多孔并列双圆柱流场进行数值模拟分析^[18]。刘杰则是在商业软件Fluent的帮助下对并联双桥墩流场进行了模拟分析^[19]。骆文广、陆晶、赖昊等人进行了单座、多座桥梁的桥墩规律研究^[20]。陆倩和韩非非基于河南省的新建未来大道桥，对多种平面布置方案流场进行二维数值模拟分析^[21]。张鹏飞、苏中地、广林端等人运用有限元法对不同直径的三个圆柱桥墩流场进行数值模拟分析^[22]。

物理模型实验方面，Mohamed M. Kamra 等人进行了溃坝波和直立圆柱相互作用的实验研究^[23]；Mohammad Javad Ezadi Yazdia 等人则进行了超临界雷诺数情况下椭圆形柱体绕流实验研究^[24]。

综上所述，目前国内外溃坝波运动和圆柱绕流的研究历史较长且成果丰富，但溃坝波作用下的桥墩绕流流场特性及压力载荷的研究则起步较晚，公开报道的文献并不很多，且由于问题的复杂性，尚需要进一步研究以获得溃坝波作用下桥墩的作用力有效预报。有鉴于此，本文拟基于Fluent进行溃坝波对桥墩作用水力特性数值计算，为桥梁安全设计、防灾减灾提供有益的参考。

1.2 研究内容

考虑到溃坝波作用下桥墩绕流是复杂的三维非恒定流动。虽然三维模型需要计算的网格数很多、计算的速度也较二维缓慢很多，但为了获得更精细的运动过程、进行溃坝波传播和桥墩压力载荷的有效预报，本文是基于通用商业软件Fluent建立并模拟了溃坝时的三维模型，进行溃坝波对桥墩作用水力特性的数值计算。主要研究内容如下：

（1）针对经典的绕障碍物的溃坝水流实验，进行数值模拟的验证研究，以验证数值模型的有效性和可靠性。首先采用软件Gambit和Fluent分别进行网格划分和几何建模，建立溃坝波对桥墩作用水力特性数值计算的数值模型。其次采用标准湍流模型，采用VOF方法模拟水面。并将计算结果并与实测结果进行对比分析，结果表明计算值与实测值符合得较好。

（2）基于上述数值模型，进行五种不同溃坝水深时溃坝波对单桥墩冲击的三维数值计算，得到了溃坝波流场以及桥墩所受冲击力的结果。

（3）在溃坝波对单桥墩冲击力数值模拟的基础上，进行了两种溃坝水深时溃坝波对双桥墩冲击的数值模拟计算，得到了溃坝波流场以及桥墩所受冲击力的结果。

（4）根据数值计算结果，分析了溃坝波的传播、桥墩绕流流场、桥墩压力载荷等特点。计算结果表明：不同溃坝水深的情况下，溃坝波对桥墩冲击力随着水深的增加而增加；溃坝水深越大，溃决的速度越快，溃坝波桥墩相接触的时间越短；单、双桥墩时溃坝波波前的传播历时基本相同，但是因为桥墩对水流的阻碍作用有差异导致了桥墩正面受溃坝波水力冲击作用压力有较大差异。

第二章理论基础

研究流体在宏观层面上的平衡与机械运动的一般规律还有其在工程中应用是流体力学这门学科的内容。水元素作为人类生存的必须品，既是人类的生存之要，也是威胁人类生存的一大问题。而流体力学就是在这曲折复杂的实践斗争中逐渐产生并发展起来的。

从最初阿基米德提出浮力与浮体间的关系，到托里拆利定律被发现；从连续性原理，到边界层理论的创立；从公元前3世纪，到21世纪。无数代人的努力使流体力学不断向前迈步。现在的我们已经可以运用不同的技术模拟现存的实际问题。随着科技这一软实力的逐步增强与实际工程这一硬需求的难度不断上升，流体力学与水力学将会不停的前进。

溃坝波水流通过桥孔的传播是复杂的三维非恒定流流动，数值模拟是一种有效的研究溃坝波水流的方法。本文采用通用的计算流体力学商业软件Fluent，并结合网格划分软件Gambit、计算结果后处理软件Tecplot，选择合适湍流模型，水面利用流体体积法（VOF）跟踪，进行了溃坝波对桥墩作用的水力计算。