房世龙，陈 红，施小飞

(1.南通航运职业技术学院 交通工程系，江苏 南通 226010；2.河海大学 水利水电学院, 南京 210098 )

淹没垂直圆柱周围水流结构及紊流特性试验研究

房世龙1，陈 红2，施小飞1

(1.南通航运职业技术学院 交通工程系，江苏 南通 226010；2.河海大学 水利水电学院, 南京 210098 )

淹没垂直圆柱虽在各工程领域中均有广泛的实际应用，但还没有关于其绕流场内水流结构及紊流特性的系统研究。通过室内变坡水槽试验对淹没垂直圆柱周围的瞬时流速场进行了精细测量，分析了淹没率对垂直圆柱上下游竖直对称面内三维流速、紊动强度等水力参数垂线分布的影响程度，研究了向下水流、马蹄形旋涡和尾流旋涡等典型水流结构的冲刷力随淹没率的变化规律，揭示了淹没率影响垂直圆柱周围清水局部冲刷的机理。研究结果表明：增大淹没率能够减小垂直圆柱出露于水体中的有效长度，使得垂直圆柱对水体的阻流和扰动作用减弱，也使得垂直圆柱上游迎水面处向下水流、柱周马蹄形旋涡和下游尾流旋涡的冲刷能力被有效削弱，降低了垂直圆柱周围床面泥沙被旋涡体系卷起后顺水流失的概率。

淹没垂直圆柱；水流结构；紊流特性；冲刷机理；淹没率

1 研究背景

垂直圆柱的出现会对水流产生干扰，由此引起的复杂旋涡体系、三维边界层分离和高强度水体紊动也会造成垂直圆柱周围床面的局部冲刷，局部冲刷不仅会导致垂直圆柱自身的失稳和水毁，也会危及垂直圆柱所支撑的水上结构工程的安全[1-3]。垂直圆柱可分为淹没式和非淹没式2类。非淹没式垂直圆柱一直是桥梁墩台、码头桩基等的主要形式。对非淹没式的单圆柱、双圆柱、三圆柱及不同间隙比情况下圆柱周围水流结构及紊流特性的研究已十分深入[4-7]。但对于被作为水下沉箱、消能措施、重力式锚碇、钻井平台基础等水下淹没结构，且在各个工程领域中均有广泛实际应用的淹没式垂直圆柱及其绕流的研究较少。截至目前，已有的关于淹没式垂直圆柱绕流特性的研究只限于淹没率影响垂直圆柱周围最大冲刷深度、淹没垂直圆柱上下游流速矢量分布特点、圆柱体周围床面剪切应力分布规律、淹没垂直圆柱周围马蹄形旋涡几何特征等[8-11]，还没有通过绕流场内水流结构及紊流特性的定量系统研究成果，如揭示不同淹没率时淹没垂直圆柱局部冲刷机理的研究等。因此，本文通过室内变坡水槽试验对淹没垂直圆柱周围的瞬时流速场进行了精细测量，分析了淹没率对垂直圆柱上下游竖直对称面内三维流速、紊动强度等水力参数垂线分布的影响程度，研究了向下水流、马蹄形旋涡和尾流旋涡等典型水流结构的冲刷力随淹没率的变化规律，揭示了淹没率影响垂直圆柱周围清水局部冲刷的机理。

2 清水冲刷试验

淹没垂直圆柱周围水流结构及紊流特性试验在矩形断面自循环变坡水槽上进行，如图1所示。试验水槽长16 m，宽80 cm，深90 cm，试验段底部及两侧均为玻璃壁面，底坡坡比可在0～1.5%之间变化，水槽边壁支撑的一对导轨上安装有仪器承台，能允许量测设备沿水槽纵向移动。为了抑制因回水产生的涡流并矫直水流流向，水槽入口处安装了蜂窝状的平水格栅。水槽进口流量由阀门调节并通过超声波多普勒流量计测量，槽内水位通过水槽下游端的尾门控制，淹没垂直圆柱周围冲淤地形及槽内水深由测量精度为0.1 mm的水位测针读取，淹没垂直圆柱周围的瞬时流速场通过超声波多普勒流速仪测量。试验选用横截面形状为圆形的有机玻璃管模拟淹没垂直圆柱，模型淹没垂直圆柱直径D为8 cm，淹没率S=(H∞-Hp)/H∞，其中H∞为墩前行近水深，Hp为原始床面以上在水体中的垂直圆柱高度。垂直圆柱被固定在平面形状为矩形的沙坑中心位置处的水槽底面上，距离水槽入口为9 m。被作为有效试验段的沙坑长度为200 cm，宽度为80 cm，深度为20 cm，上游边缘至水槽入口距离为8 m，沙坑的上游和下游均铺设了厚度为20 cm的灰塑板制成的假底，假底上铺设了厚度为5 cm的模型沙，沙坑也用模型沙填充至与假底上的床沙面平齐。试验选用天然无黏性均匀细沙作为模型沙，模型沙中值粒径d50为0.53 mm，密度为2.65 g/cm3，不均匀系数σg为1.2。

图1 试验布置示意图Fig.1 Arrangement of the experiment

图2 不同淹没率下垂直圆柱体周围冲淤地形Fig.2 Silt and scour around vertical cylinder under different submergence rates

试验采用顺水流向为x轴方向，横向为y轴方向，铅直向上为z轴方向，坐标原点对应着淹没垂直圆柱横截面形心位置，高度位于未冲刷时的水沙交界处。试验运行过程中的墩前行近流速U∞为29.3 cm/s，行近水深H∞为24.0 cm，来流剪切流速u*,∞为1.66 cm/s，模型沙起动流速Uc为30.8 cm/s，本文所有组次的试验均是在清水冲刷条件下开展的，试验过程中始终保持相对流速U∞/Uc为0.95，相对水深H∞/D为3.0。

3 试验结果分析

3.1 淹没率对垂直圆柱周围冲刷深度的影响

为对比分析淹没率对垂直圆柱周围冲刷深度的影响，给出相同水流条件下平衡冲刷状态时淹没率S分别为0.0,0.5和0.75这3种工况下的垂直圆柱体周围的冲淤地形，见图2。

垂直圆柱顶面高程≥水面高程时，垂直圆柱处于非淹没状态，淹没率为0，此工况下垂直圆柱相对于自身直径的最大清水冲刷深度和冲刷范围分别为1.95和2.26。淹没率取为0.5时，垂直圆柱顶面位于水体中，裸露于原始床沙面以上水体中的圆柱体垂直长度为行近水深的一半，此时垂直圆柱相对于自身直径的最大清水冲刷深度和冲刷范围分别为1.27和1.64。淹没率取为0.75时，垂直圆柱顶面位于自由水面以下0.75倍行近水深处，此时垂直圆柱相对于自身直径的最大清水冲刷深度和冲刷范围分别为1.01和1.12。对比相同水流条件下不同淹没率时垂直圆柱周围的典型冲淤地形数据可知，淹没率为0.5时垂直圆柱周围的最大冲刷深度较淹没率为0.0(非淹没)时缩减了34.8%，最大冲刷范围缩减了27.4%，淹没率为0.75时垂直圆柱周围的最大冲刷深度较淹没率为0.0(非淹没)时缩减了48.2%，最大冲刷范围缩减了50.4%。由此可见，随着淹没率的增加，垂直圆柱周围的最大冲刷深度和冲刷范围都明显减小。为了减少冲刷对水下沉箱、钻井平台基础等淹没结构安全稳定的危害，也为了避免由于防护淹没结构局部冲刷造成的较大工程投入，淹没结构应该尽可能采用较大的淹没率。

3.2 淹没率对垂直圆柱上游水流结构的影响

为了对比分析淹没率对垂直圆柱上游水流结构的影响，将相同水流条件下清水冲刷达到平衡状态时不同淹没率垂直圆柱上游竖直对称面内的纵向(x方向)和铅直方向(z方向)流速分布绘制于图3，图中纵坐标为测流垂线上不同测点的相对位置,u为纵向流速，即顺水流方向流速，w为铅直向流速，即垂向流速。对比垂直圆柱上游纵向流速分布可知，淹没率的改变使得圆柱上游竖直对称面内各测流垂线上的纵向流速分布产生了很明显的重新调整，垂直圆柱上游水域沿水深方向被划分为2个区域，这与S. Dey等[8]绘制的淹没垂直圆柱上游竖直对称面内纵向流速矢量分布规律较为一致。在z/Hp≥-0.1的区域内，随着水深的增加不同测流垂线上的纵向流速均增大，而同一测流垂线上相同位置处的纵向流速随着淹没率的增大而增大。在z/Hp<-0.1区域内，各流速测量点均位于垂直圆柱周围冲刷坑内，测流垂线上相同位置处的纵向流速会随着淹没率的增大而减小。垂直圆柱淹没率为S=0.5和S=0.75时，冲刷坑内近床面各位置处的逆向流速的削减率最大，较淹没率为S=0.0时平均削减了40.4%和61.2%。综合上述分析可知，随着淹没率的增大，裸露于床面以上水体中的圆柱体的垂直长度减小，垂直圆柱对行近水流的阻碍作用减弱，从而使较大的纵向流速被调整到远离圆柱体周围床面的水域中去，近床面各位置处的纵向流速明显减小。近底纵向流速是马蹄形旋涡强度的表征，淹没率增大造成的近底流速值的减小也大大降低了垂直圆柱上游马蹄形旋涡的强度，从而削弱了床面附近水流挟带泥沙造成局部冲刷的能力。

图3 垂直圆柱上游纵向和铅直方向流速分布Fig.3 Longitudinal and vertical velocity distribution in the upstream of vertical cylinder

淹没率对垂直圆柱上游垂向流速分布也有较大影响。在床面以上区域内，各测流垂线上的铅直向流速均为负值，表明无论淹没率为何值时垂直圆柱上游均有不同强度的向下水流出现，向下水流流速值均随水深的减小而增大，而且在原始床面附近达到极值。但逐渐增大淹没率后垂直圆柱上游各测流垂线相同位置处的垂线流速明显减小，向下水流的强度变小，向下水流对垂直圆柱周围局部冲刷的能力也随之减弱。在床面以下区域内，不同淹没率时各测流垂线上的铅直向流速均随水深的减小而减小，并在冲刷坑底部床面附近具有极小值，而且随着淹没率的增加垂直圆柱上游相同位置处的铅直向流速均有较大程度地减小，与淹没率为S=0.0时垂直圆柱上游铅直向流速值相比，淹没率为S=0.5和S=0.75时垂直圆柱上游的铅直向流速值最大可被削减31.3%和43.7%。淹没率对垂直圆柱上游铅直向流速分布的影响规律较为符合S. Dey等[8]的研究结果。既然铅直向流速是垂直圆柱上游向下水流强度的表征，而向下水流又是引起和维持垂直圆柱周围局部冲刷的主要因素[12-16]，所以增大垂直圆柱淹没率就能有效削减向下水流的冲刷力，也使得垂直圆柱周围马蹄形旋涡的发展受到限制，垂直圆柱周围床面得到了有效地保护，因而局部冲刷深度最大能被削减48.2%。

图4 垂直圆柱下游纵向和铅直方向流速分布Fig.4 Longitudinal and vertical velocity distribution in the downstream of vertical cylinder

3.3 淹没率对垂直圆柱下游水流结构的影响

相同水流条件下清水冲刷达到平衡状态时不同淹没率垂直圆柱下游竖直对称面内的纵向(x方向)和铅直向(z方向)流速分布如图4所示。由纵向流速分布图可知，无论淹没率为何值时随着水深的增加，垂直圆柱下游竖直对称面内各测流垂线上的纵向流速值均先增大而后减小，在垂直圆柱下游靠近柱体附近水域内有逆向水流出现，这都是圆柱扰流后下游尾流旋涡生成和发展的主要表征。对比不同淹没率时垂直圆柱下游的纵向流速分布规律发现，垂直圆柱淹没率增大，原始床面以上水域内纵向流速值均有不同程度地增加，而原始床面以下纵向流速值则均有不同程度地减小，淹没率为S=0.5和S=0.75时的纵向流速较淹没率为S=0.0时的纵向流速的最大削减率分别可达41.1%和66.2%。

由铅直向流速分布图可知，不同淹没率时垂直圆柱下游竖直对称面内各测流垂线上的铅直向流速值均随水深的减小而增加，并在0≤z/Hp≤0.4范围水域内先后达到极大值以后又逐渐减小，各测流垂线在近床面附近均具有极小值。对比不同淹没率时垂直圆柱下游的竖直向流速分布规律发现，在整个水深范围内淹没率增加竖直向流速值就减小，垂向流速的削减程度取决于淹没率的增加量。综合上述分析可知，增大淹没率可以使得垂直圆柱下游原始床面附近水流的流速有较为明显的减小，进而使垂直圆柱下游水流结构的水力特性发生改变，也使得对垂直圆柱周围局部冲刷发展起重要作用的尾流旋涡远离原始河床面，抑制了尾流旋涡卷扬并向下游输送泥沙的能力，这与S. Dey等[8]的研究结果一致。

图5 垂直圆柱上游3个方向紊动强度分布Fig.5 Longitudinal, transverse and vertical distributions of turbulence intensity in the upstream of vertical cylinder

3.4 淹没率对垂直圆柱上游紊流特性的影响

相同水流条件下清水冲刷达到平衡状态时不同淹没率垂直圆柱上游竖直对称面内的纵向(x方向)、横向(y方向)和铅直方向(z方向)的紊动强度分布变化如图5所示。由垂直圆柱上游各个测流垂线纵向、横向和铅直方向上的紊动强度分布图可知，不论淹没率为何值时垂直圆柱上游原始床面以上3个方向的紊动强度值均随相对水深的减小而几乎线性增加，并在原始床面附近具有极大值。而在原始床面以下垂直圆柱上游各测流垂线上不同方向的紊动强度值均随水深的减小而减小，并在床面附近具有极小值。由于垂直圆柱上游冲刷坑深度较大，马蹄形旋涡位于冲刷坑内，故各个方向的紊动强度值几乎均出现在z/Hp为-0.4的床面附近。比较各测流垂线上相同位置处3个方向的紊动强度发现，纵向紊动强度要稍大于其他2个方向的紊动强度值，铅直方向的紊动强度值最小。对比不同淹没率时垂直圆柱上游各个方向紊动强度的分布规律可知，随着垂直圆柱淹没率的增加，出露于水体中的垂直圆柱长度减小，垂直圆柱体对水体的扰动作用减弱，床面至垂直圆柱顶面水深范围内水体的纵向、横向和铅直方向的紊动强度也随之有不同程度地降低。对试验数据的分析表明S=0.5和S=0.75的淹没率能使垂直圆柱上游各测流垂线近床面位置处的纵向紊动强度、横向紊动强度和铅直方向紊动强度分别平均被削减了11.1%,16.8%和20.4%，这使得紊动强度在近床面位置处具有极小值，无疑会有效降低床面附近水流的冲刷能力。通过对比分析不同淹没率垂直圆柱上游3个方向上紊动强度的分布规律可知，淹没率增加能够有效削减床面附近各位置处水流的纵向、横向和铅直方向的水体紊动能量，从而抑制了垂直圆柱上游马蹄形旋涡、向下水流的发展，也削弱了这2种水流结构对床面的冲刷作用，因此使得平衡冲刷状态下的最大冲刷深度和冲刷范围明显减小。

3.5 淹没率对垂直圆柱下游紊流特性的影响

相同水流条件下清水冲刷达到平衡状态时不同淹没率垂直圆柱下游竖直对称面内的纵向(x方向)、横向(y方向)和铅直方向(z方向)的紊动强度分布变化如图6所示。

图6 垂直圆柱下游3个方向紊动强度分布Fig.6 Longitudinal, transverse and vertical distributions of turbulence intensity in the downstream of vertical cylinder

由垂直圆柱体下游竖直对称面内各测流垂线上3个方向紊动强度分布规律可知，不论淹没率如何变化，垂直圆柱下游原始床面以上水体的纵向和横向紊动强度均随相对水深的减小，且呈线性增加趋势，在原始床面附近具有极大值。而在原始床面以下水域内，垂直圆柱上游各测流垂线上纵向和横向紊动强度均随水深的减小而减小，并在床面附近具有极小值。与纵向和横向紊动强度分布特点不同，垂直圆柱下游铅直方向紊动强度均随水深的增加先增加而后减小，并在相对水深为[0.4，0.7]的区域内分别达到极大值，这是尾流旋涡卷扬泥沙使其在垂直圆柱下游很远处落淤主要原因。对比不同淹没率时垂直圆柱下游各个测流垂线纵向、横向和铅直方向上的紊动强度分布可知，随着垂直圆柱淹没率的增加，垂直圆柱出露于水体中的长度逐渐减小，床面附近水体受到垂直圆柱自身的扰动作用也逐步减弱，水体紊动强度值也显著减小，故而有效降低了床面附近水流的冲刷能力。通过不同淹没率时垂直圆柱上游纵向、横向和铅直方向紊动强度分布规律的对比分析可知，增加垂直圆柱淹没率能够使得床面附近各位置处水流的纵向、横向和铅直方向的水体紊动能量显著减小，抑制了垂直圆柱下游尾流旋涡的冲刷能力，从而有效降低了垂直圆柱下游床面泥沙被尾流旋涡卷起后顺水流失的概率。

4 结 论

本文通过室内变坡水槽试验对淹没垂直圆柱周围水流结构及紊流特性进行了深入的试验研究，研究结果表明：

(1) 增大淹没率能够减小垂直圆柱出露于水体中的有效长度，垂直圆柱对水体的阻流和扰动作用减弱，致使淹没率为0.5和0.75较淹没率为0.0(非淹没)时，垂直圆柱周围的最大冲刷深度分别缩减了34.8%和48.2%，最大冲刷范围缩减了27.4%和50.4%。

(2) 垂直圆柱上游逆向流速的最大削减率为40.4%和61.2%，铅直向流速值最大可被削减31.3%和43.7%。垂直圆柱下游纵向流速的最大削减率分别可达41.1%和66.2%。

(3) 垂直圆柱上游纵向紊动强度、横向紊动强度和铅直方向紊动强度分别平均被削减了11.1%,16.8%和20.4%，也使得垂直圆柱上游迎水面处向下水流、柱周马蹄形旋涡和下游尾流旋涡的冲刷能力被有效削弱，降低了垂直圆柱周围床面泥沙被旋涡体系卷起后顺水流失的概率。

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(编辑：占学军)

Flow Patterns and Turbulence Characteristics Arounda Submerged Vertical Circular Cylinder

FANG Shi-long1, CHEN Hong2，SHI Xiao-fei1

(1.Department of Transportation Engineering, Nantong Shipping College, Nantong 226010, China; 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098,China)

Although submerged vertical circular cylinders have been widely applied in engineering fields, there are no systematic study on the flow pattern and turbulence characteristics in the flow field around the submerged vertical circular cylinders.In view of this,we carried out indoor flume experiment with different slopes and accurately measured the instantaneous velocity field around the submerged vertical circular cylinders. According to the test result, we analyzed the impact of the submergence ratio on the vertical distribution of three-dimensional flow velocity and turbulence intensity along upstream and downstream vertical symmetry plane of the submerged vertical circular cylinders.On this basis, we researched the variations of scour strength of downstream flow, horseshoe vortex and tail flow vortex with submergence ratio, and revealed the mechanism of submergence ratio affecting local scour by clear water around the submerged vertical circular cylinders. Research results show that 1) increasing submergence ratio could reduce the effective length of vertical circular cylinder above water surface and weaken the resistant flow and disturbance of the cylinder on water; 2) the scour capacity of downward flow in the upstream of cylinder, horseshoe vortex around the cylinder, and tail flow vortex obviously decreases, which reduces the probability of sediment around vertical circular cylinder being eroded by vortex.

submerged vertical circular cylinder; flow pattern; turbulence characteristics; scour mechanism; submergence ratio

2015-11-24；

2016-02-21

国家自然科学基金项目(51309083);重大科学仪器设备开发专项(2011YQ070055);交通运输部应用基础研究项目(2013329284210)；南通市社会事业科技创新与示范计划(HS2014017)

房世龙(1978-),男,黑龙江桦南人,副教授,博士,主要从事港口航道及海岸工程、河流泥沙工程、海洋工程等方向的研究工作,(电话)0513-85965512(电子信箱)fangsl3000@163.com。

10.11988/ckyyb.20150991

2016,33(12):55-60

TV147.5

A

1001-5485(2016)12-0055-06