【摘 要】
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圆柱绕流现象广泛存在于自然界当中。水流经过桩群时,桩前出现壅水,产生下降水流,桩基底部出现的马蹄形漩涡,绕流现象大大加强了水流挟沙的能力。桩前的下降水流不断掏刷桩基沙床,冲蚀桩基结构,不断将泥沙运输至下游区域,这种冲淤变化对桩基的稳定性产生了一定的影响,在实际工程会造成维护费用大规模增加,甚至使整个工程报废。为了研究桩群绕流特性以及局部冲刷发展,本文基于长江上游洪水特征和重庆主城港区高桩码头桩群尺
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圆柱绕流现象广泛存在于自然界当中。水流经过桩群时,桩前出现壅水,产生下降水流,桩基底部出现的马蹄形漩涡,绕流现象大大加强了水流挟沙的能力。桩前的下降水流不断掏刷桩基沙床,冲蚀桩基结构,不断将泥沙运输至下游区域,这种冲淤变化对桩基的稳定性产生了一定的影响,在实际工程会造成维护费用大规模增加,甚至使整个工程报废。为了研究桩群绕流特性以及局部冲刷发展,本文基于长江上游洪水特征和重庆主城港区高桩码头桩群尺寸特征,开展了非恒定流下间距比L/D=3.5时方形布置的四圆柱桩群绕流水槽试验和数值模拟,研究了非恒定流下桩群绕流的底部流场（z=1cm）时均流速分布、紊动强度分布、流场变化以及局部冲刷的发展过程,有关研究内容如下:1、通过水槽试验发现,横向时均流速u、纵向时均流速v大小变化与流量变化相关,纵向时均流速v均为正值;横向时均流速u在左右岸对称测点上大小一致。桩群前区域（1.5D～3.5D）存在左右振荡的水体,桩前区域同一个断面上纵向时均流速v在左右岸分布上存在明显差异,横向时均流速u较小。桩群区域中纵向时均流速v在桩群四桩心连线内较小,桩群四桩心连线外流速较大,且同一测点流速大小对流量变化不明显;在桩群四桩心连线内,横向时均流速u受桩群绕流作用增强,出现了明显的增大现象。桩群后区域（1.5D～7.5D）各断面测点纵向时均流速v在同一时刻下分布一致,横向时均流速u逐渐趋于0。2、通过水槽试验发现,纵向流速相对紊动强度Nv、横向流速紊动强度σu仅与流量大小有关,与流量所处的上升阶段与下降阶段无关。桩群绕流对桩群绕流区域内断面上测点紊动强度影响较大,桩群区域绕流会加剧纵向和横向流速的紊动强度,在桩群后区域后水体会逐渐恢复平稳。3、通过数值模拟研究发现,上游桩前存在马蹄形漩涡区域,范围约0.5D,上游桩桩后与下游桩桩前存在流速趋于0的区域;下游桩后2D范围内,存在小流速区域;上下游桩外侧范围内,都形成了流速较大的圆形区域,上游桩外范围约为0.5D,下游桩外范围约为2D,且下游桩的形成的圆形区域流速大小明显大于上游桩。4、通过水槽试验发现,上游单桩的冲刷坑范围为:桩前2D至桩后1D,桩外侧2.5D至桩内侧1D。下游桩单桩的冲刷坑范围为:桩前1D至桩后1D,桩外侧1.5D至桩内侧1D。桩群前区域深度相差不大,横向断面地形呈“U”型分布。桩群区域横向断面地形呈“W”型分布。桩群后区域桩后出现沙脊,横向断面地形呈“M”型分布。5、通过数值模拟研究发现,非恒定流桩群绕流局部冲刷下,最大冲刷深度和冲刷体积随时间呈对数形式增加,直至达到冲刷平衡状态,20%的时间局部冲刷可完成冲刷平衡时的50%,50%的时间可达到冲刷平衡的80%。
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