当前的世界环境

介绍

一般来说，桥接码头的冲浪分为两类一般和本地冲刷。如果河床在桥梁建筑面积洗掉并比上游天然河床水平较低，则发生了一般冲浪。与床面，河床沿河床升高，与床级相比，在床位之后，在一般冲刷发生后，河床围绕结构。由于涡流流动系统，桥墩周围的局部冲刷是由桥墩的流量偏差引起的。主涡流系统有助于形成冲刷孔，通过流动入射对墩面和向下偏差形成。撞到河床后，向下流动在码头前面形成一个孔，其中产生旋转流量，孔深度逐渐增加。旋转流向码头前面的侧面延伸，并在计划中采取马蹄形形状，因此它被称为马蹄涡。通过从码头侧传递流量，发生了一系列次要流量，其反过来是局部冲刷的主要原因。Richardson等人。（2001）表明，局部冲刷是桥墩破坏的主要原因。 Secondary flows include Wake vortex system, Trailing vortex system, Horseshoes vortex system and Bow wave system (Figure 1) (Homayoun, S. and Shokri, N., 2011).

马蹄铁是桥墩前面冲泡孔形成的主要原因。当流量击中桥墩时，流速变为向下压力。由于流速从表面到底部向下向下下降，因此墩鼻上的动态压力也从上到下减小，并且产生的压力梯度形成向下的向下流动。部分向下流动命中并挖掘河床，然后沿不同的方向散步。朝向上游返回的部分流程，加入主流并击中桥接码头。这种流动旋转和返回是对马蹄形涡旋形成的介绍。在开始时，冲泡孔深度的变化高，随时间减少，但是冲击孔深度随时间仍然增加（图1）。Homayoun和Keshavarzi（2007）研究了扇区水墩间距对桥墩下游圆形横截面（Homayoun，S.和Keshavarzi，A.2008）的频闪的尺寸和深度的影响。

图1：圆形桥墩周围的流型和涡流 （梅尔维尔，B。W和Sutherland，A.J.，1998年） 点击此处查看数字

软件介绍

OpenFoam，用于现场操作和操作开源的缩写表，是河流和水力工程中流量和沉积物数值模拟的应用。软件的主要优点之一是基于所需问题的知识呈现新的工具和求解器。换句话说，通过识别问题的未知，物理参数和其他主变量，同时知道编程技术，用户可以创建文件。

与其他CFD模型相比，开放式泡沫软件的主要能力是改变默认文件的可能性，甚至可以与软件介绍未定义的关系。

湍流控制方程

使用称为Reynolds方程（RANS）的平均Navier-Stokes方程，表达了湍流状态下不可压缩的流体运动的控制方程。使用有限体积和中心差异方法执行软件中的微分方程的简化和离散化。

k-^ε.湍流（RNG）模型

在k-^ε.湍流（RNG）模型，动能（k）和耗散能量（）方程式:( Bushehri，等2011）

哪里g_B.湍流是由浮力和Y引起的吗_m呈现不可压缩性。还有，G_K.定义如下：

模型常量包括g_2ε.= 1.68，g_1ε= 1.68. 在该模型中，通过求解微分方程获得的湍流粘度：

哪里∇=^你ef /μ和c_V.≈。在高雷诺数时，湍流粘度类似于标准型号如下：

其中等于0.0945。

桥墩形状对冲刷的影响

根据李等人。（1961），码头的形状对冲刷深度产生重大影响，因为马蹄涡体强度取决于墩形状。与圆形码头相比，椭圆形墩的深度较少。具有墩横截面的桥梁，符合流量线减少流量分离，因此，冲刷使得如果码头形状将平行于流动线，则马蹄形涡流系统的功率显着降低，发生较少的擦洗（Hasouni Zade，H。，1991）。

敏感性分析

在获得和分析软件的输出结果之前，应验证结果的准确性。为此目的，首先需要对简单且特定的情况进行流程分析，并将结果与​​其他研究人员的结果进行比较。为了确认影响Dargahi（1989）执行的现象（即网状，适当的湍流模型和流动模式）实验的参数的有效性。从表1中可以看出，在具有122,400个网格的网络中，确定系数（R2）更接近一个，需要更短的运行时间，并且Rmse值（Rout Man Square Error）小于其他网格，因此选择为最佳网格。

表1：选择适当的网格 单击此处查看表格

关于湍流的模型校准

由于雷诺数被认为是4340 * 103的建模，因此流动制度被认为是湍流的。因此，为了校准模型并选择最佳湍流模型，使用RNG K-ε，标准K-ε和可实现的k-ε模型。将使用本软件的码头附近的每个湍流模型的流速结果与达格拉希（1989）的实验结果进行了比较。结果分析表明，RNG K-ε湍流模型比其他湍流模型更准确。与其他模型相比，分析结果完全呈现在表2中。根据表2，与其他模型相比，与RNG K-ε湍流模型的配合线相对应的确定系数和x系数更接近一个。这种情况下的RMSE值也小于指示使用RNG K-ε湍流模型获得更准确的结果的其他湍流模型的相应值。

表2：使用不同湍流模型的流量分析结果

RNG K-ε湍流				湍流K-ε标准				湍流可实现K-ε
比率		X	RMSE.	比率		X	RMSE.	比率		X	RMSE.
	0.865	0.610	0.047		0.852	0.535	0.211		0.636	0.48	0.226
	0.989		0.190		0.982		0.294		0.781		0.613

建模程序

在该部分中，使用RNG K-ε湍流模型和具有122,400目的的网络建模，以研究围绕具有不同横截面的桥墩的流动模式，使得唯一的差异是码头部分的形状。通道长度和宽度分别为20米和4米，流速为3.1 m / sec。如图2所示，根据每个码头周围的流动图案，显然椭圆形墩周围的流动分离小于圆形码头，因此较少的流动湍流，因此发生了较少的冲刷。流线表示，主轴码头下游产生的涡流比另一个码头更强大。图3显示了椭圆形和圆形桥周围的速度矢量。

图2：桥墩周围的流线 点击此处查看数字

图3：码头周围的速度矢量 点击此处查看数字

在图4至7中示出了距椭圆形和圆形桥右侧的1米距离的纵向和横向速度在距离椭圆形和圆形墩的距离处变化。纵向速度和横向速度变化在0.3,0.48和0.68米的高度中被考虑床级和水面0.86米。可以看出，由于横截面积较低的横截面，通过到达码头来增加纵向流速。而且，由于墩前面的向下流动的效果，横向速度降低。与圆形桥面围绕椭圆形墩观察较低的纵向和横向速度。这表明椭圆形码头周围的较低流动湍流，因此，发生这种类型的码头周围的较低冲刷。

数字4：1米的纵向速度变化 距椭圆形桥墩右侧的距离 点击此处查看数字

数字5：1米处的纵向速度变化 距圆形码头右侧的距离 点击此处查看数字

数字6：TR.横向速度在1米处变化 距椭圆形桥墩右侧的距离 点击此处查看数字

数字7:横向速度1米的变化 距圆形码头右侧的距离 点击此处查看数字

桥墩周围的河床剪应力分布

为了比较桥墩周围的剪应力，计算了桥墩周围的总归一化应力，这实际上是应力参数的敏感性分析。使用方程式（11）计算了该应力。应力值越接近1，该区域的剪切应力越有效。在本研究中，给出了第一排桥墩上游、桥墩之间和第二排桥墩下游的最大归一化剪应力及其临界位置。最后，比较了桥墩和临界位置处的平均河床剪应力。河床剪应力高于研究开始时计算的临界值（0.028 kN/m2），将导致河床侵蚀和冲刷。图4显示了黄色至蓝色的河床剪应力范围。表3显示了临界位置处的标准化剪应力，表4显示了平均剪应力值。根据表4，椭圆形桥墩的平均河床剪应力值低于圆形桥墩，因此椭圆形桥墩周围的冲刷较小。图4显示了河床和桥墩附近的剪应力等值线。

表3：椭圆形和圆形码头的总标准化应力的影响

墩形	关键距离	总归一化应力
椭圆形	6.19865	1
	10.126	0.932
	14.1835.	0.940
圆	6.19865	0.757008
	12.6545	0.801456
	15.7125	1

表4：椭圆形圆形码头的总剪切应力的比较

墩形	关键距离	总应力
椭圆形	6.19865	0.0135
	10.126	0.0038
	14.1835.	0.0111
圆	6.19865	0.0136366
	12.6545	0.00987722
	15.7125	0.0146964

结论

数值模型的结果表明，由于剪切应力，流动分离，流动分离，并且与圆形墩相比，椭圆形码头是最佳墩形状。

纵向速度变化的比较表明，椭圆形桥墩周围的纵向速度低于圆形桥墩，因此，椭圆形桥墩周围的湍流较少。

沿着通道的横向速度变化的比较显示椭圆形码头周围的横向速度小于圆形的圆形速度，椭圆形码头前面的向下流量更强大。

对临界位置处最大剪应力的比较表明，椭圆形桥墩附近的速度变化导致较低的剪应力，因此，此类桥墩周围发生的冲刷较少。

湍流模型的比较表明，与椭圆形桥墩相比，圆形桥墩周围形成了更强大的漩涡，表明该类型桥墩周围存在更大的流动分离和更具破坏性的漩涡。

参考

1. Homayoun，S.和Shokri，N.，（2011），“桥墩形状对桥墩周围冲刷深度和剖面的影响“，第11次灌溉和蒸发减少研讨会，克尔曼，伊朗
2. Homayoun，S.和Keshavarzi，A(2008), “扇形水墩间距对圆形横截面桥墩冲刷体积和深度的影响“5月，德黑兰大学土木工程国家大会第四次国家大会。
3. 梅尔维尔，B. W.和Sutherland，A.J.，（1998）。“桥墩防水保护，J.Hyd.Eng.28，ASCE，第114卷，第10期，第1210-1226页。
4. Bushehri，M.，Montazeriyan，N.，和Naderan Tahan，H.，（2011年）OpenFoam软件使用FTC绘制方法对入口位置对初级沉积盆地效率的数值建模及研究“，第9国际土木工程大会，伊朗伊斯法罕
5. 哈苏尼·扎德，H.，（1991年）桥墩局部冲刷预测的试验方法伊朗阿瓦士，沙希德-尚兰大学