桥墩绕流特性对船舶运动受力的影响

为了揭示桥墩绕流特性对船舶运动受力的影响,基于三维Navier-Stokes方程,通过求解6DOF方程,结合虚拟单元浸入边界法和水平集法构建被动型动船模型,模拟分析在高雷诺数下船墩间距、船速与流速对船舶运动状态和受力的影响.分析结果表明:船墩间距的增大促使船舶艏摇力矩值迅速减小;船速变化对最大负艏摇力矩值的影响不明显,而船速减小会使偏航角度增大,船速增大使船舶横漂距离增大;流速的增大将促使船舶艏摇力矩值增大,且在船舶经过桥墩中部时所受负艏摇力矩增量最为显著.研究结果对于桥区船舶的安全通航问题具有一定的参考价值.     

洪水作用下车辆稳定性试验与安全标准研究

对洪水作用下车辆失稳时的受力情况进行分析,推导出车辆失稳临界条件方程,并结合三款不同型号1:18的车辆模型渡槽试验,确定方程中拖曳力系数、摩擦力系数、淹没深度与排开水质量关系。根据流动相似原理计算原型车辆失稳的临界水深-流速关系,并以此提出了车辆部分淹没时“大中小”车型的多层次安全标准。研究结果表明：随着水流流速增大,失稳临界水深变小,且流速-水深曲线“凹凸性”发生变化;随着车辆部分淹没水深增加,不同来流情况的临界流速逐渐趋近;同款车型在相同的水深条件下,侧向来流比正向来流更容易失稳;三车并列时稳定性介于侧向来流和正向来流之间;路面坡度越大,车辆越容易失稳;质量越大车辆,稳定性越好。     

洪水作用下车辆稳定性试验与安全标准

对洪水作用下车辆失稳时的受力情况进行分析,推导出车辆失稳临界条件方程,并结合三款不同型号1∶18的车辆模型渡槽试验,确定方程中拖曳力系数、摩擦力系数、淹没深度与排开水质量关系。根据流动相似原理计算原型车辆失稳的临界水深-流速关系,并以此提出了车辆部分淹没时"大中小"车型的多层次安全标准。研究结果表明:随着水流流速增大,失稳临界水深变小,且流速-水深曲线"凹凸性"发生变化;随着车辆部分淹没水深增加,不同来流情况的临界流速逐渐趋近;同款车型在相同的水深条件下,侧向来流比正向来流更容易失稳;三车并列时稳定性介于侧向来流和正向来流之间;路面坡度越大,车辆越容易失稳;质量越大,车辆稳定性越好。     

封冻河道中单排与双排桥墩周围流场的数值模拟

基于计算流体力学软件Fluent,运用多相流理论,建立封冻条件下单排桥墩和双排桥墩对桥墩周围流场影响的三维标准湍流数值模型,研究在封冻条件下不同桥墩直径与不同进口水流流速对桥墩附近水流湍动能的影响。结果表明:水流速度对桥墩周围流场的影响较大,水流速度越大,水流的势能转换为动能越多,桥墩周围的湍动能越大;桥墩直径越大,对河道过流断面的挤压就越大,但是桥墩周围湍动能却越小。相对于双排圆形桥墩条件,单排圆形桥墩条件下桥墩附近的流场紊动更剧烈,因而双排桥墩能有效地保护桥墩。     

基于AIS数据的船桥碰撞概率评估方法研究

针对船桥碰撞风险评估中桥梁船撞概率计算问题,基于自动识别系统(AIS)数据获得桥梁船撞影响参数,以解决现有方法中没有考虑特定桥梁航区实际通航船信息的问题.基于AIS数据分析了航行船舶动态,获得了船舶位置、航速和偏航角等参数,分析了船舶交通流,并以实际的船舶交通流对AASHTO规范模型中的几何概率进行修正;基于内河流域水流变化规律对AASHTO规范模型中的偏航概率进行修正,对比分析了修正前后的结果差异.结果表明:AASHTO规范模型没有考虑通航船舶的实际航道和速度变化情况,会导致所计算的桥梁船撞概率结果误差较大;对于船舶航行情况复杂的桥区,有必要采用基于AIS数据获得的实际通航船舶信息来估计船舶在桥区的分布情况,以提高计算结果的准确性;对于水流流速变化达到3 m/s,流向角变化达到3°的流域,应考虑水流变化对碰撞概率的影响.     

冰盖下组合桥墩的局部冲刷特性及水力特性

为研究冰盖对组合桥墩局部冲刷及其周围流场分布的影响,基于动床冲刷试验,在不同覆盖条件下,分析了不同水流条件和桥墩尺寸对组合桥墩局部冲刷的影响,建立了预测明渠水流与冰盖流条件下组合桥墩最大冲刷深度的经验方程,并通过ADV测量了墩前的流场。结果表明:组合桥墩的冲刷模式与串列桥墩相似,最大冲刷深度始终出现在墩正前方;经验方程中来流水深、来流流速、桥墩尺寸、冰盖糙率均与最大冲刷深度呈正相关关系;在粗糙冰冰盖流条件下,墩前的垂向流速最大,导致其最大冲刷深度总是大于同等条件下的明渠水流和光滑冰盖流。     

复杂河道环境内水流冲击桥墩的数值模拟——以广安五福桥为例

广安市拟在西溪河原拱桥上游修建行车桥改善城市交通,桥梁拟建于河道弯顶处,拟建位置上下游涉水建筑物较多,汛期时桥墩周围水动力环境较为复杂。为研究汛期时弯道处桥墩受水流冲击的规律,以FLOW-3D水动力学数值模拟软件为研究工具对固定工况中水流冲击圆柱形桥墩的过程进行数值模拟。将河道模型拆分为简单模型进行模拟,发现模拟计算结果与经验公式结果较为吻合,在该基础上进行数值模拟,研究结果表明：(1)河道中景观闸与拱桥间为水流急变区,可能对河床及桥墩底部造成冲刷;(2)拟建桥区水流对桥墩的冲击压力时程变化呈现不规律脉动,主频范围为0~0.02Hz;(3)凹岸桥墩所受水流冲击力明显大于凸岸,随着流量增大,凹岸桥墩受力方向与顺河向的正夹角增大,凸岸桥墩受力与顺河向的负夹角减小。     

大源渡下游口门区通航水流条件改善措施试验

大源渡航电枢纽扩建二线船闸后将造成下游引航道口门区水流条件复杂,影响船舶(队)安全通航。为解决这一工程问题,在充分搜集地质和水文资料的基础上,采用整体水工模型试验,利用疏挖下游河道一定区域并结合布置通航建筑物的措施进行改善,从而使口门区表面流速符合规范要求。根据相关资料和试验数据,着重分析了疏挖前后地形的改变,以及布置导堤和导流墩后对下游口门区水流流态的影响,并阐述了这些工程措施削弱口门区回流和斜流的机理。研究结果表明,河道疏挖与通航建筑物的结合应用可有效改善大源渡下游口门区水流条件,并为类似工程设计提供参考。     

隔离墩与自浮结构相组合的桥梁防船撞系统方案与评估

随着跨江跨海桥梁与船舶通航数量日益曾多,船桥碰撞的概率也日益增大,所以亟须提出桥梁防船撞设计方案。针对既有椒江大桥水中通航孔桥墩,首先通过规范和Midas/Civil软件计算出桥墩结构的自身抗撞能力;基于非线性动力软件ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型计算得出典型桥墩遭受3 000 t级船舶正向和侧向撞击工况下的撞击力;通过比较桥墩自身抗力与船舶撞击力,提出了一种隔离式防撞墩与自浮式消能圈相组合的新型桥梁防船撞方案,然后对单独设置隔离式防撞墩和设置隔离墩与自浮结构组合防撞系统两种工况进行计算。结果表明:桥墩自身抗力为14.40 MN,而受船舶撞击所产生的最大撞击力为24.38 MN;设置组合防撞系统后,桥墩墩身所受的撞击力为0,隔离式防撞墩与自浮式消能圈有效保护了桥墩结构,且减小了船舶损伤。     

内河单线航道船舶双向通航方式分析

为分析内河单线航道双向通航的可行性和合理性，研究了单线航道2种双向通航方式的关键参数与船舶延误.根据潮汐式通航原理，计算了双向潮汐式通航周期、停泊区所需最小容量和船舶平均延误；采用船舶交通仿真方法，分析了单线航道双向连续通航所需的条件，并给出了相邻会让区间距和船舶平均延误的计算公式，最后提出了2种通航方式选择的判别条件.结果表明：双向潮汐式通航停泊区所需最小容量和船舶平均延误与单线航道长度和船舶到达率正相关，与船舶速度负相关；船舶均匀到达且到达率小于4艘/h,合理设置会让区，方可实现单线航道双向连续式通航；相邻会让区间距与船舶速度成正比，与船舶到达率成反比，船舶平均延误等于船舶到达率的倒数；单线航道越长，船舶到达率越大，双向连续式通航方式越优.当船舶航速为8 km/h,单线航道长度分别为5、10、20 km时，双向连续式通航适用的船舶最小到达率分别为1.71、0.87、0.44艘/h,否则宜采用双向潮汐式通航.     

圆形立柱对侧向进水泵站前池流态的影响及其整流机理

利用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)模拟软件研究单排圆形立柱对侧向进水泵站前池流态的改善情况,及其参数对回流区范围大小和进口断面行近流速均匀度的影响.计算结果表明,单排圆形立柱可使水流向前池两侧分流,缩小边坡回流区范围,使进口断面行近流速更均匀,有效改善水流流态.单排圆柱宜布置在距离进水池31.05D_0(D_0为吸水管直径)处,圆柱间距越大、数量越少,其阻水分流效果越不明显.     

流速对深水锁扣钢管桩围堰侧向变形影响研究

以某城市快速路跨河大桥桥墩锁扣式钢管桩围堰施工为背景,利用Plaxis 3D三维建模,模拟了围堰分步施工过程,研究了仅静水压力及考虑静水、流水压力共同作用下围堰侧向变形空间效应。基于此,分析了不同流速、钢桩直径、嵌入深度及围护结构形式对侧向变形的影响。结果表明：静水与流水压力共同作用下围护结构迎水面侧向变形远大于仅考虑静水压力,最大变形出现在中心线处;迎水面侧向变形分布与明渠流垂向流速分布规律一致,最大变形点位于流速最大对应深度处;增大钢桩直径可有效减弱围堰侧向变形程度,当钢桩嵌入中风化砂岩后,嵌入深度对侧向变形影响不大;采用圆形围护结构形式可极大地降低水流力对围堰侧向变形的影响,且整体受荷情况与变形分布较矩形更为均匀。     

串列双桥墩紊流特性研究

采用概化水槽试验和数值模拟相结合的方法,建立了水流与桥墩的二维概化水槽模型。通过对迹线、尾涡强度及脱落频率的研究,分析了桥墩间距对桥墩周围紊流特性的影响。研究结果表明,串列双桥墩间距较小(L/D≤2.0)时,上游桥墩没有形成涡的脱落,上游桥墩的剪切层交替的附着在下游桥墩上,导致剪切层在运动之前变厚,尾涡脱落频率减小,紊动强度增大;当3.0≤L/D5.0时,上、下游桥墩均有涡的脱落,且桥墩间距越大涡脱落现象越明显,尾涡的紊动强度随间距的增大而减小;当桥墩间距增大到5.0后,上、下游尾涡的紊动及尾涡脱落类似单个桥墩。     

洪水冲击管道模拟实验装置设计与试验修改稿

设计了洪水冲击管道的模拟实验装置,并对管道受力状况进行了试验研究,描绘出了管道在不同裸露程度时管壁沿环向的不同位置与其对应的应力关系曲线,以及不同裸露程度的管道受到不同流速洪水冲击时管道的受力曲线.试验结果表明:水流垂直冲击管壁的地方管壁受力最大,水流方向与管壁相切的地方管壁受力最小;管道受力与水流流速近似成线性关系,全裸露管壁受力近似等于半裸露管壁受力的2倍.     

“冰上丝绸之路”——北极航线船舶航行安全的跟驰模型

为研究"冰上丝绸之路"——北极航线船舶安全通航状况,特别是在有破冰船开道情况下,跟驰船舶与破冰船的安全间距以及跟驰船舶之间的安全间距问题,基于陆上交通流理论的跟驰模型,分析北极航线船舶的航行阻力即船舶水流阻力、船舶兴波阻力、碎冰阻力以及船舶制动性能,建立适用于北极航线的交通流跟驰模型,给出船舶安全间距、船头间距、船舶跟驰速度的公式,并结合"永盛"轮的具体资料和数据,进行模型参数验证和模型应用.结果表明,本文建立的适于北极航线的跟驰模型具有一定的现实意义,可有效降低凭借航行经验产生的航行风险,可为北极航线的船舶安全航行提供支持.     

圆端形夹层结构桥墩防撞浮箱的碰撞性能分析

为最大程度减轻撞击和满足柔性耗能防撞设计要求,采用钢-聚氨酯夹层板制造了一款圆端形桥墩曲面防撞浮式套箱,用于内河航道桥墩防撞;利用ABAQUS有限元软件建立了船舶、防撞浮箱、桥墩碰撞系统的计算模型,对不同角度撞击时该浮箱以及桥墩的受力影响、能量转换、拨动船头程度进行了分析.结果表明:最不利撞击时该浮箱具有良好的防撞效果,能吸收绝大部分的船舶动能,减少桥墩受力;在一般斜撞时该浮箱易拨开船头,将船舶绝大部分动能保留在船上,能更有效地保护桥墩.     

墩柱周围水流表层涡漩区宽度的试验研究

墩柱周围水流涡漩区为航行的不安全区域,该区域宽度的确定对通航河流桥梁附近航道及桥梁设计具有重要意义．采用粒子图像测速技术,对直槽和弯槽中圆柱周围近区表层的速度分布进行了测量．依据所测得数据,可知墩柱周围涡漩区的宽度与墩前行近水流条件、河槽弯曲情况等因素有关;并得到了圆形墩柱两侧水流表层涡漩区宽度与弗汝德数的相关关系．     

出渗对大颗粒泥沙周边水流结构及受力影响试验研究

为探讨出渗对大颗粒泥沙周边水流结构的影响,采用二维粒子图像测试技术对颗粒周围流场进行测量.通过分析不同出渗强度下颗粒周围立面流场结构,探究出渗作用下颗粒周围水动力结构.试验结果表明:出渗能够抑制颗粒尾部回流区的形成,减小回流区内负向流速大小;同时,尾涡尺寸随出渗强度的增大而减小,当出渗强度增加到一定值(v_s/U=0.65%)时颗粒尾部已不能形成尾涡.颗粒迎流面水流分离点即是产生"涡量源"的位置.出渗不断透过床面向上补水减小了流速变化梯度,从而导致负向涡量随出渗的增大而减小.对大颗粒的受力分析发现,颗粒平均起动流速随着出渗流速的增大而减小.     

某公路桥梁墩台的强度分析

通过研究桥梁墩台结构特点和载荷,分析了桥梁墩台的受力情况,并进行了计算。研究表明：在桥墩所受横向载荷中风载荷的影响相对与水流的侧压力比较小,可以忽略。所以在进行分析的时候只考虑水流的侧压力对桥墩强度的影响。以某公路桥梁墩台为例,利用ANSYS对结构及其强度进行了分析。     

桥墩阻水比对弯道河流流速分布的影响

桥墩阻水比是确定涉河桥梁工程方案主要考量指标之一。为研究桥墩阻水比对弯道河流流速分布的影响,建立有机玻璃弯道水槽模型,针对不同阻水比桥墩对弯道河流流速分布影响开展试验研究。使用ADV采集弯道试验段内的纵向和横向流速并进行分析,结果表明：随阻水比的增大,桥墩附近上下游主流位置趋于集中在水槽中间。在Fr=0.21和Fr=0.28两组工况下,墩前断面纵向流速方差均减小,其流速分布更加均匀;墩后断面纵向流速方差均增大,其流速分布更加紊乱;横向流速在墩前与墩后分布均更加紊乱。桥墩阻水比对纵向流速和横向流速分布的影响均随Fr增大而减小。