【摘 要】
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近年来我国航运交通愈加繁忙,桥墩周围复杂水流结构导致的船舶偏航、撞桥事故频发,探究墩周流场特性及船舶受力机理是提升通航安全的关键。本文基于Navier-Stokes控制方程,采用大涡模拟（LES）构建考虑船舶运动特性的桥区三维流场模型。首先,对比双墩间距、来流流速、桥墩墩形变化对水流结构及流态模式的影响。分析了单墩周围水流结构分布,双墩周围绕流流态模式,探求墩周水流在不同方向上的分布规律。其次,研
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近年来我国航运交通愈加繁忙,桥墩周围复杂水流结构导致的船舶偏航、撞桥事故频发,探究墩周流场特性及船舶受力机理是提升通航安全的关键。本文基于Navier-Stokes控制方程,采用大涡模拟（LES）构建考虑船舶运动特性的桥区三维流场模型。首先,对比双墩间距、来流流速、桥墩墩形变化对水流结构及流态模式的影响。分析了单墩周围水流结构分布,双墩周围绕流流态模式,探求墩周水流在不同方向上的分布规律。其次,研究墩周水流横向流速分析紊流宽度的分布特性,依据紊流宽度特征划分桥区水域船舶通航安全域;最后构建动船模型,探求船舶艏摇力矩的变化规律,从船舶受力角度确定力学性能指标,验证桥区水域船舶通航安全域划分的合理性。结果表明:（1）单墩绕流流场特性分布规律。各断面纵向流速最小值沿远离桥墩方向,由零值开始,表现为先减小后增大至来流流速。各断面横向流速最大值沿远离桥墩方向可分为骤升区、骤降区、增长区;（2）双墩绕流流态模式分布规律。可根据双墩间距由小到大将双墩墩周绕流流态模式分为单体模式、附着模式、过渡涡脱模式、独立涡脱模式。单体模式,下游墩与上游墩位置排布紧密,墩间无漩涡发展;附着模式,下游墩位于上游墩回流区边界,墩间有漩涡发展;过渡涡脱模式,下游墩位于上游墩尾流卡门涡街初生区域;独立涡脱模式,可将双墩看作相互独立的单墩（两个）分布,各自墩后均存在独立回流区;（3）墩周紊流宽度分布规律及安全域划分。以横向临界流速为0.3m/s来量化墩周紊流宽度。单墩布置时,墩后各断面紊流宽度变化趋势可分为突变域、平稳域、增长域。双墩布置时,四种流态模式下紊流宽度变化趋势与单墩相似,不同模式下三种区域长度存在差异。通过累积概率综合分析,结果表明距离桥墩侧壁R=0～2.5D为高风险域,R=2.5D～3.0D为低风险域,R＞3.0D为安全域;（4）船舶艏摇力矩变化规律及安全域验证。四种流态模式下船舶艏摇力矩分布特征不同。模拟结果显示在单体与附着模式下,艏摇力矩分布存在三个极值点;过渡涡脱模式下,艏摇力矩分布存在五个极值点;独立涡脱模式下,艏摇力矩分布存在六个极值点。结果验证了以紊流宽度划分通航安全域是合理的。
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