基于能量平衡的跨海桥梁钢管桩局部冲深计算

综合国内外现有研究成果,分析了桩周流场结构及局部冲刷坑的分布形态,通过三维数值模拟,验证了局部冲刷最大值点出现在桩前,且冲坑坡度近似等于泥沙水下休止角的结论。从国内外规范内局部冲深计算公式中筛选出跨海桥梁钢管桩局部冲刷深度的主要影响因素。基于能量平衡理论,通过来流水流搬运冲刷坑内泥沙过程中的能量守恒,推导了概念清晰、形式简单的局部冲刷深度预测公式。区别于现有多数公式主体结构,该公式为关于局部冲深的一元三次方程,通过水下泥沙休止角来考虑泥沙对冲刷的影响以及冲刷过程中冲刷坑自身深度及范围变化对冲刷产生的影响。利用最小二乘法,结合环杭州湾区域三座跨海大桥的试验及实测数据拟合确定了公式相关参数,并与国内外规范内的公式对比验证,结果表明,该公式精度较高,可为实际工程计算分析提供参考。     

波流耦合下桩周珊瑚砂冲刷机理研究

针对我国南海某岛礁珊瑚砂地基上的圆形桩基础,采用N-S方程k-ε模型、双向耦合方式跟踪流场中颗粒运动轨迹的方法,对桩周珊瑚砂的冲刷规律进行了求解,分析了桩体周围流体的速度场以及桩体表面剪应力场的分布规律,同时对桩周珊瑚砂冲刷坑的形成过程进行了模拟。计算结果表明,在桩体周围形成的马蹄形漩涡和桩柱后方的尾涡作用下,桩周土体出现了较为明显的冲刷现象,涡旋的释放显著地影响着珊瑚砂地基上桩基的冲刷坑形状;而且,由于珊瑚砂颗粒密度较石英砂小,水动力作用下桩周冲刷坑更容易形成,所以实际工程中需要考虑有效的防护措施。     

单向流条件下单桩桩周冲刷过程特征试验研究

水流引起桩基周围地基冲刷是海洋工程中的经典课题,由于问题涉及流体动力学和土力学的交叉内容,加之试验技术和计算能力的限制,这一冲刷过程仍有很多方面尚待进一步厘清。开展10组室内水槽试验,研究了不同水深情况下定床和动床冲刷时单桩桩周局部冲刷深度的发展过程。在试验过程中,通过模型桩内放置摄像机实时监测桩周冲刷深度变化,得到桩周冲深边界及最大和最小冲深方位随时间的变化曲线。试验研究发现这一冲刷过程主要特征为:局部冲刷首先发生在桩(侧)前方并逐渐向桩周扩展,而桩后则先发生淤积后再冲刷;水深越大,流速越大,桩后淤积现象持续时间越短,桩周冲刷发展迅速、均匀,但达到稳定所需时间越久;桩周最大、最小冲深点首先分别位于桩的侧前方、桩后区域,随着试验进行会发生转变或波动。     

海底管线局部冲刷问题数值模拟研究综述

海底管线局部冲刷的数值模拟研究已经有30 a的历史.文章描述了海底管线局部冲刷的机理,回顾了国内外对于管线冲刷问题数值模型研究的情况,根据不同模型进行了分类描述,并进行了简单的比较,为该领域的进一步研究提供参考.     

应用切割单元法对海底管道局部冲刷数值模拟

采用SIMPLEC算法的有限体积法,求解非定常流动的N-S方程,采用k-ω紊流模型,通过模拟均匀无粘性推移质的冲刷和淤积,得到海底管道由搁置在海床上的状态变为悬跨状态这一过程的管道周围局部海床冲刷情况,建立了海底管道局部冲刷的二维数值模型。海底管道从搁置在底床上到冲刷悬空的过程中,管道周围的空间产生了拓扑变化,这给采用贴体网格并在计算过程中进行网格重构的传统方法带来了很大困难,而采用切割单元法,把物体轮廓从静止的背景直角坐标结构化网格中切割出去,计算过程中不需要传统意义的网格重构过程。数值模型预测的海底管道周围局部冲刷结果与Mao的物理模型实验实测结果及Liang和Cheng等的数值模拟结果符合较好,验证了模型的准确性。     

中性网格对圆桩局部冲刷的水动力弱化及防护效果分析

针对水下桩墩的局部冲刷问题,提出一种适用范围广、防冲促淤效果显著的防护措施。该防护措施把一种相对密度略大于水、几何特征特殊的中性网格结构完全覆盖在冲刷坑或可能出现冲刷坑的床面上,以减弱冲刷坑内水动力,促进泥沙落淤,达到减轻局部冲刷的目的。通过数值模拟和水槽试验探讨了中性网格结构对圆桩周围冲刷坑内水动力及床面形态的影响,并研究了网孔尺寸对防冲促淤效果的影响规律。结果表明：该中性网格结构能显著减小局部冲刷坑内的流速,有效抑制局部冲刷,且对桩前来流来沙的影响微弱。孔径比7.7的网格防护结构可以使无黏性沙床上圆桩的局部冲刷深度减少92%,已存在的冲刷坑则可被修复73%。这些研究成果为桩墩局部冲刷防护提供一种新的思路。     

海底管道周围局部冲刷数值模拟分析

通过建立一个垂直二维紊流模型来模拟管道周围流场,建立泥沙冲刷模型来模拟海床底面变化。其中,冲刷模型同时包括悬移质输沙和推移质输沙。海床底面变化通过计算底面泥沙总输运平衡关系得到。并进行多组冲刷数值实验,分析泥沙冲刷过程,总结出一套冲刷平衡深度经验公式。     

导流叶片在单向流下的三维水流数值模拟

利用三维水流数值模型对单向流下导流叶片对流场的影响情况进行了模拟与分析可知,计算值与实测值吻合较好,结果表明本文采用的模型能较好地解决复杂的紊流场;并通过水槽水平切面流场的分析可知在导流叶片附近存在一个逆时针漩涡,这个漩涡是造成导流叶片附近泥沙发生局部冲刷的主要原因.     

波、流及其共同作用下桩墩局部冲刷问题试验研究现状

要研究波流共同作用下桩墩的基础冲刷问题,首先需要了解水流和波浪单独作用下桩墩冲刷的机理和特征。针对波、流及其共同作用下桩墩的局部冲刷问题,从流速、水深、桩径、波长、波高、相对底层流速、粒径和粒径级配等方面系统地简述了恒定流、波浪和波流作用下桩、墩局部冲刷的研究进展。根据实验资料比较了各家经典计算公式的计算结果发现我国规范65-1式计算值偏大,65-2式计算值偏小等结论。桩墩局部冲刷是一个复杂的过程,今后可以针对淤泥质海岸底床、粉沙质海岸底床、复杂桩群结构、物理模型比尺效应、非恒定水动力条件、复杂基础形式方面对波流作用下基础冲刷的最大冲刷深度、冲刷过程、冲刷范围进行研究,以弥补桩墩局部冲刷在这些方面的不足。     

波浪作用下桩桩周围局部冲刷研究

通过系统的物理模型试验,考虑波高、周期、水深、泥沙粒径、桩柱直径等影响因素,研究桩柱周围的局部冲刷形态、尺度高。分析了桩柱周转局部产中刷的三种基本类型,得出最大冲刷深度随波数的变化规律,提出了最大冲刷黉度的计算方法。