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水路运输以污染小、运量大和成本低的优点在运输体系中占据重要地位。在水路运输愈加繁忙,船舶大型化日趋明显和跨江河大桥数量日益增多的背景下,航道桥区段复杂流态使船墩相撞风险激增,进而造成巨大的生命财产损失。本文基于三维N-S方程理论,综合考虑不同桥墩直径与来流流速组合下,利用REEF3D进行模拟试验,探究航道桥区段的三维水流特征。结合水平集法、虚拟单元浸入边界法与求解6DOF方程,构建水流作用下的动船模型,分析船舶在航道桥区段的运动形态变化机理。主要结论如下:(1)三维水流特性。墩前水流有分层特性,分上升流与下降流,下降流区在纵向上最大长度的垂向位置平均为0.48倍水深。墩中水流,自由液面处的横流峰值出现在与墩壁距离为0.45D位置处,垂向流速峰值出现在与墩壁距离为0.25D位置处。来流流速增大使自由液面处的纵向流速与合速率的峰值点消亡,并增大不同水深断面间的横流分布差异;墩直径增大会强化墩中部水流垂向分布规律的一体性。墩后水流,分流的流线沿墩壁斜向下运动,在墩后一定范围内发生速度突变,自由液面下的水流由向下运动转为向上运动,发生速度突变位置附近,有尾涡形成。(2)艏摇力矩规律。船艏靠近桥墩会被推离,受到正艏摇力矩作用;船舶航行至桥墩中部会被桥墩吸引,受到负艏摇力矩作用;船尾驶离桥墩会被桥墩吸引,受到正艏摇力矩作用。船墩间距增大使艏摇力矩快速变小;来流流速增加使艏摇力矩增大,尤以经过墩中部时负艏摇力矩增幅最明显。航速变化对最大负艏摇力矩值的影响不明显,但航速减小使船舶偏航角度与在墩中部的正横漂距增大;航速增大时,船舶偏航角度减小且在墩后的负横漂距增大。墩后区域,局部流态剧烈突变,艏摇力矩变化明显。(3)墩前横流区分布规律。以墩纵轴成对称分布,以桥墩纵轴顺(逆)时针15°~90°区域的横流值明显较大;45°方向的近墩壁面处出现横流最大值。横流值0.3m/s界定的桥墩相对紊流宽度与水流弗劳德数有显著非线性关系。分析艏摇力矩曲线可知,该值界定的紊流宽度偏小,该宽度范围外仍可能有较大艏摇力矩。因此,航道桥区段通航需考虑桥墩绕流过程中的多种因素,通过结合水平集法、虚拟单元浸入边界法与求解6DOF方程,三维数值实验能较好还原船舶在航道桥区段的平面运动形态。