张义军,谭志荣,刘敬贤,栗晓晨

(1. 交通运输部长江航务管理局, 湖北 武汉 430014; 2. 武汉理工大学 航运学院, 湖北 武汉 430063;3. 内河航运技术湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430063)

0 引 言

交通运输部印发实施的《船舶碰撞桥梁隐患治理三年行动实施方案》中对桥墩防船撞提出了新的要求,多跨过江桥梁的桥墩安装防撞设施逐渐成为行业共识。当流体在桥墩墩体两侧绕过时,边界壁面和高速流体之间会产生较大的速度梯度,从而导致较强的涡集中出现在该区域;当船舶经过桥墩附近水域时,该区域会对船舶产生艏摇力矩,对船舶操控性造成影响,增大了船撞桥墩的风险[1-2]。安装防撞设施后,桥墩处的几何尺寸不仅发生了变化,桥墩的后尾涡也会产生相应改变,因此有必要对桥墩处的流场变化规律进行分析。

针对不同形态桥墩(简称:墩型)的流场,部分学者采用了水槽物理试验,并利用三维声学多普勒测速仪从垂向上提取了紊流强度分布,从而收敛得到一般的紊流计算公式[3-4]。考虑到桥墩的物理结构,近年来,对圆柱和方柱等形态在高雷诺数下流场特征研究逐步成为行业热点,三维有限元分析中选择大涡模拟也能得到更高的计算精度[5-8]。

针对紊流宽度研究,目前常见的是将航道中横向流速大于0.3 m/s的范围定义为紊流宽度范围[9],基于三维流场模拟,进一步探索紊流区宽度的变化对于船舶航行安全影响[10-12]。近年来,不同墩型的水域流场数值模拟引起了学界的高度关注,数值模拟既可丰富桥墩水域钝体绕流及尾迹涡动力学等相关领域的研究,也可为桥梁防撞工程提供技术参考[13-16]。冀楠等[17]和郑植等[18]分别在研究桥墩防撞时对防撞设施系统的流场特征进行了提取。基于此,笔者采用三维大涡模拟方法,对桥墩加装防撞设施前后的流场变化进行了研究,并针对圆形和尖艏型的紊流特征进行了对比分析。

1 桥墩周围流场模拟

1.1 研究对象

笔者建立了经典的单墩方柱(直径为D)绕流计算模型尺度,如图1。在设立的物理场景中,均匀自由来流(速度为U∞)从左至右绕过柱体;水平轴x正方向为顺水流方向,垂直轴y为垂直水流方向,设定单墩方柱中心为坐标原点。

图1 单墩方柱绕流及计算区域示意(单位:m)Fig. 1 Schematic diagram of single pier square column bypass andits calculation area

1.2 控制方程

流体运动符合质量、动量及能量守恒三大定律。在当前研究条件下,水流密度ρ保持不变,重力仅作用于深度方向,水温为常温;在桥区流场研究中,流场水平尺度一般远大于垂向尺度。笔者基于三维流动条件对单墩方柱紊流问题进行了研究,建立了三维不可压缩连续性方程和N-S方程,连续性方程由式(1)、动量方程由式(2)表达:

(1)

(2)

式中:ui为速度在i方向上的分量,在本研究中i=1, 2, 3分别代表x、y、z这3个方向;t为时间;ρ为流体密度;p为压强;gi为i方向上的重力加速度;μ为流体的运动黏度。

1.3 湍流模型

采用大涡模拟法(LES)将湍流流动简化成尺度不一的湍流组合叠加运动过程,其中平均流动大涡的影响较为明显。大涡模拟主要用于反应湍流流动中的物理过程,如紊流扩散、质量交换和雷诺切应力变化等。大涡模拟适用于对比大尺度网格的湍流运动所建立的近似模型,故在对小尺度的涡进行模拟时需要采用滤波方式将大尺度与小尺度进行剥离。此时过滤N-S方程为:

(3)

式中:τij为亚格子应力。

τij可表示为:

(4)

(5)

1.4 无关性检验

流体的数值模拟研究没有固定的划分依据,因此需要开展无关性检验来验证数值模拟结果的准确性。以无界区域内单个方柱桥墩周围流场为例(图2),选取若干尺度来比较所选取的计算域对仿真结果的影响,如表1。

表1 不同计算域尺度计算结果对比

图2 方墩局部网格划分Fig. 2 Local grid division of square pier

2 计算工况

2.1 桥墩场景工况

单柱桥墩为方形墩,边长D=10 m,设置在5 m水深的河道中,防撞设施吃水深度为3 m。加装防撞设施后,对比分析“圆艏型”和“尖艏型”这2种形式。在顺水流方向,上下游尺度各阻水尺寸增加8 m,共增加16 m;在垂直水流方向,阻水尺寸两侧各增加2 m,共增加4 m。防撞设施尺寸参数如图3。

图3 防撞设施尺寸(单位:m)Fig. 3 Anti-collision facilities size

2.2 边界条件

考虑到桥墩的水动力特性且桥墩处水流结构更为复杂,为准确模拟桥墩周围的流动特性,笔者对桥墩周围及墩后紊流流动区域进行了局部网格加密处理。边界条件为:① 入口:速度入口;② 出口:自由出流边界;③ 水底壁面边界:无滑移壁面;④ 流场侧面边界:对称边界;⑤ 墩体边界:无滑移壁面。

根据不同水位期的流速特征,模拟工况见表2。

3 模拟结果与讨论

3.1 无防撞设施流场仿真

分别截取水深h=0、 2、 4 m时的流速等值线进行定量分析,如图4。

图4 不同来流速度下,不同深度处的横向流速等值线分布Fig. 4 Horizontal velocity contour distribution at different depths under different inflow velocities

由图4可知:水流经过桥墩时,在桥墩左右两侧形成了两个横流区,两横流沿桥墩上下对称分布,桥墩以上为正值横流、以下为负值横流。

1)在桥墩下游方向呈现负横流区、正横流区、负横流区的交替分布的规律。桥墩上游1D范围内为对称分布的正值横向流速与负值横向流速;桥墩下游1D范围内横向流速基本为负值;下游1D～3D范围内的横向流速基本为正值;3D～5D范围内横向流速又变为负值,如此循环。但随着下游能量减弱,在循环3个周期后开始变得凌乱。

2)根据研究及《长江干线通航标准》,将横流速度大于0.3 m/s的范围定义为紊流宽度值。随着来流速度增大,从0.3 m/s等值线线分布可看出:桥墩两侧及桥墩下游横流大于0.3 m/s范围明显增大,即来流速增大,桥墩阻水作用更为明显,桥墩尾涡脱落核心区的横流及紊流范围都增大。

3)当来流速度为1 m/s时,紊流宽度最大为7.8 m,桥墩下游方向22D范围内存在横流,超过22D后水流趋于平稳;当流速增大为2 m/s,紊流宽度最大为14.3 m,下游方向25D范围内存在横流。

4)当流速增大为3 m/s,紊流宽度最大为17.7 m,下游超过30D范围均存在紊流。对比不同深度切面横流可知:随着水深增加,横流范围逐渐减小,由于远尾迹区中脱落的尾涡逐渐被破碎成为众多小涡后,横流区同样呈现出“碎片化”的分布特点。

3.2 尖艏型防撞设施仿真

分别截取水深h=0、 2、 4 m时的流速等值线进行定量分析,如图5。由图5可知:加装尖艏型防撞设施后,横流在整体分布上和未加装尖艏型防撞设施时相似,桥墩上游方向存在一正一负两个横流区,下游横线周期性分布横流。当水流流速较小时,紊流宽度没有明显改变;当来流速度增大,桥墩阻水特性变大,加装尖艏型防撞设施使得紊流宽度改善明显;桥墩尖艏防撞设施(水深3 m以上)的具有整流作用,有效削弱了水流在桥墩两侧的流动分离程度,横流更为集中。

3.3 圆艏型防撞设施仿真

分别截取水深h=0、 2、 4 m时的流速等值线进行定量分析,如图6。由图6可知:加装圆艏型防撞设施后,横流在整体分布上和未加装防撞设施及尖艏型防撞设施相似,桥墩上游方向存在一正一负两个横流区,且下游横线周期性分布横流。相比于尖艏型防撞设施,这种周期性分布减弱,整体高速横向流区域变小,变为多个横向流速较大的分散区域,但横流流速大于0.3 m/s的紊流范围有所增大。

图6 不同来流速度下,不同深度处的横向流速等值线分布Fig. 6 Horizontal velocity contour distribution at different depths under different inflow velocities

3.4 对比分析

通过上述分析可知:已建桥梁加装防撞后对桥墩周围水流流态影响显著。对比不同来流速度下桥墩设防前后的情况,由于总体尺寸增大及阻水形状改变,加装圆艏型防撞设施后会导致桥墩周围水流紊动更加剧烈。将防撞设施设置前后各工况下桥墩附近的紊流宽度数值进行读取,得到紊流宽度的变化如图7。由图7可知:桥墩设防后,圆艏型防撞设施的阻水特性放大,对桥墩附近水流条件影响变大。对比同一流速下桥墩设防前后的情况,虽然整体尺度增大,但由于阻水形状改变,在加装尖艏型防撞设施后,其紊流宽度略小于未加装时;在加装圆艏型防撞设施后,其紊流宽度大于未加装时;对比圆艏型和尖艏型防撞设施对桥区最大横流及紊流宽度的影响发现:其来流速度变化趋势基本一致,圆艏型设施略大于未加装时。

图7 紊流宽度对比Fig. 7 Turbulence width comparison

4 结 论

笔者基于计算流体力学,考虑不同来流速度、不同防撞结构情况下,对单方柱桥墩加装防撞设施前后的紊流宽度进行了数值模拟。根据对紊流宽度测量和三维流场分析,得出如下结论:

1)无防撞设施时,桥墩阻水作用随来流速度的增加而增大,在桥墩下游交替出现负横流区和正横流区,随着水深增加,横流范围逐渐减小,横流区呈现“碎片化”分布;

2)加装尖艏型防撞设施后,横流在整体分布上和未加装时相似,但由于阻水形状的改变,尖艏的整流作用可有效削弱在桥墩两侧流动的分离程度,横流更为集中,使紊流宽度相对减小;相较于尖艏型防撞设施,加装圆艏型防撞设施后,桥墩对水流阻碍作用加强,横流周期性分布减弱,整体高速横向流区域变小,变为多个横向流速较大的分散区域,桥墩周围紊流宽度略有增加;尖艏型防撞设施周围的紊流宽度反而略有减少,这符合紊流宽度计算中,矩形墩系数为1.2,尖头墩系数为0.66的结论;

3)对比无防撞设施及两种防撞设施的紊流宽度变化可知:在几乎相同的阻水面积情况下,相比于圆艏型防撞设施,尖艏型的紊流宽度较小。为减小防撞设施对紊流流态影响,工程中应采用尖艏型防撞结构形式。