留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

内河框架码头桩柱绕流水动力特性的二维数值模拟

刘明维 曾丽琴 陈刚 沈立龙 牟治忠 王明镜

刘明维,曾丽琴,陈刚,等. 内河框架码头桩柱绕流水动力特性的二维数值模拟[J]. 水利水运工程学报,2020(1):74-83. doi:  10.12170/20181204005
引用本文: 刘明维,曾丽琴,陈刚,等. 内河框架码头桩柱绕流水动力特性的二维数值模拟[J]. 水利水运工程学报,2020(1):74-83. doi:  10.12170/20181204005
(LIU Mingwei, ZENG Liqin, CHEN Gang, et al. 2D numerical simulation of hydrodynamic characteristics of water flowing around inland river frame wharf in tandem and parallel arrangement[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(1): 74-83. (in Chinese)) doi:  10.12170/20181204005
Citation: (LIU Mingwei, ZENG Liqin, CHEN Gang, et al. 2D numerical simulation of hydrodynamic characteristics of water flowing around inland river frame wharf in tandem and parallel arrangement[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(1): 74-83. (in Chinese)) doi:  10.12170/20181204005

内河框架码头桩柱绕流水动力特性的二维数值模拟

doi: 10.12170/20181204005
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51479014);重庆市社会民生科技创新专项项目(cstc2017shmsA30002);四川省交通运输厅项目(2018-B-04)
详细信息
    作者简介:

    刘明维(1972—),男,贵州遵义人,教授,博士,主要从事港口工程设计计算理论方面的教学和研究工作。E-mail:mingwei_liu@126.com

  • 中图分类号: TV143

2D numerical simulation of hydrodynamic characteristics of water flowing around inland river frame wharf in tandem and parallel arrangement

  • 摘要: 桩柱绕流水动力特性直接决定水流对桩柱作用力的分布规律,是内河框架码头水流荷载计算的基础。结合计算流体动力学(CFD),依托内河框架码头实际工程,进行了内河框架码头大直径桩柱串列及并列4桩柱绕流水动力特性的二维数值模拟,系统分析了不同流速及不同桩间距下桩柱绕流尾流流场形态,揭示了桩柱绕流阻力系数、升力系数、斯特劳哈尔数随桩间距和流速的变化规律。研究了串列及并列4桩柱绕流流场形态和水动力特性,不同流速及不同桩间距下的遮流影响效应、遮流影响系数以及横向影响系数的变化。数值模拟与分析结果可为计算类似内河框架码头水流荷载提供一定的技术参考。
  • 图  1  果园码头二期工程

    Figure  1.  Phase Ⅱ project of Guoyuan wharf

    图  2  串列四桩柱绕流计算模型及网格划分

    Figure  2.  Flow calculation model and mesh generation for four pile-columns in tandem arrangement

    图  3  并列4桩柱绕流计算模型

    Figure  3.  Flow calculation model for four pile-columns in parallel arrangement

    图  4  主测桩位置及定位件布置(图中ϕ1 500 mm是钢横撑直径)

    Figure  4.  Main testing pile position and positioning parts layout

    图  5  不同桩间距下串列4桩柱绕流瞬时速度云图(Re=4×106)(单位:m/s)

    Figure  5.  Instantaneous velocity cloud map of tandem pile-columns under different pile spacings (Re=4×106)(unit: m/s)

    图  6  绕流阻力系数随桩间距的变化曲线(Re=4×106)

    Figure  6.  Change curves of drag coefficient around each pile with pile spacing (Re=4×106)

    图  7  绕流升力系数随桩间距的变化曲线(Re=4×106)

    Figure  7.  Change curves of lift coefficient around each pile with pile spacing (Re=4×106)

    图  8  各桩柱绕流系数随桩间距的变化曲线(Re=4×106)

    Figure  8.  Change curves of flow coefficient of each pile withpile spacing (Re=4×106)

    图  9  不同流速下串列4桩柱绕流瞬时速度云图(L=4D) (单位: m/s)

    Figure  9.  Flow instantaneous velocity cloud map of four pile-columns in tandem under different flow rates (L=4D) (unit: m/s)

    图  10  不同桩间距下并列4桩柱绕流瞬时速度云图(Re=4×106)(单位: m/s)

    Figure  10.  Flow instantaneous velocity cloud map of four pile-columns in parallel under different pile spacings (Re=4×106)(unit: m/s)

    图  11  桩柱绕流阻力系数随桩间距的变化(Re=4×106)

    Figure  11.  Change curves of drag coefficient around each pile with pile spacing (Re=4×106)

    图  12  桩柱绕流升力系数随桩间距的变化(Re=4×106)

    Figure  12.  Change curves of lift coefficient around each pile with pile spacing (Re=4×106)

    图  13  各桩柱绕流系数随桩间距的变化曲线(Re=4×106)

    Figure  13.  Change curves of flow coefficient of each pile with pilespacing (Re=4×106)

    图  14  不同流速下并列4桩柱绕流瞬时速度云图(L=4D)(单位: m/s)

    Figure  14.  Instantaneous velocity cloud map of flow around parallel four-columns at different flow rates (L=4D)(unit: m/s)

    表  1  单圆柱绕流计算结果与文献对比

    Table  1.   Comparison between single-cylinder flow results and literatures

    计算来源 Re/106 $ \overline {{C_{\rm{d}}}} $ Cl Sr 计算来源 Re/106 $ \overline {{C_{\rm{d}}}} $ Cl Sr
    本文2 0.43 0.27 0.18 Ong等[4]1 0.52 0.09 0.28
    4 0.42 0.28 0.34 3.6 0.46 0.08 0.31
    Catalano等[12] 1 0.41 Ai Yanhui等[13] 1.24 0.46 0.38~0.40 0.29
    2 0.42 0.31 沈立龙等[11]
    (码头现场监测)
    1~4 0.30~0.45
    4 0.46 港口工程荷载规范[14] 0.72
    下载: 导出CSV

    表  2  不同桩间距下串列4圆柱绕流各桩柱遮流影响系数

    Table  2.   Influence factors of obstruction of each pile in tandem pile-columns under different pile spacings

    桩编号不同桩间距的遮流影响系数
    2D 3D 4D 5D 7D 9D 13D
    1 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
    2 0.63 0.79 0.63 0.54 0.63 0.66 0.74
    3 0.38 1.57 1.37 0.56 0.72 0.73 0.78
    4 0.79 1.81 2.12 0.94 0.72 0.72 0.72
    下载: 导出CSV

    表  3  不同流速下串列4圆柱绕流主要系数统计(L=4D)

    Table  3.   Statistics of main coefficients of flow around four cylinders in tandem at different flow rates (L=4D)

    流速 桩编号 Cd Cl Sr 流速 桩编号 Cd Cl Sr
    2 m/s
    (Re=4×106)
    1 0.311 0.13 0.341 1 m/s
    (Re=2×106)
    1 0.335 0.26 0.159
    2 0.196 0.80 0.318 2 0.210 0.90 0.227
    3 0.425 1.30 0.226 3 0.430 1.30 0.132
    4 0.540 2.10 0.230 4 0.330 1.50 0.068
    下载: 导出CSV

    表  4  不同流速下并列4圆柱绕流主要系数统计(L=4D)

    Table  4.   Main coefficient statistics of flow around parallel four- cylinders at different flow rates (L=4D)

    流速 桩编号 Cd Cl Sr 流速 桩编号 Cd Cl Sr
    2 m/s (Re=4×106) 1 0.343 0.180 0.409 1 m/s (Re=2×106) 1 0.354 0.170 0.227
    2 0.365 0.198 0.400 2 0.375 0.186 0.227
    3 0.366 0.189 0.409 3 0.377 0.189 0.227
    4 0.344 0.180 0.409 4 0.354 0.170 0.227
    下载: 导出CSV
  • [1] 刘明维, 李鹏飞, 陈刚, 等. 内河框架码头构件重要性评价[J]. 水利水运工程学报,2015(1):1-7. (LIU Mingwei, LI Pengfei, CHEN Gang, et al. Importance evaluation and weak link analysis for members of overhead vertical wharfs located at inland rivers[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015(1): 1-7. (in Chinese)
    [2] 邱驹. 港工建筑物[M]. 天津: 天津大学出版社, 2005: 30-31.

    QIU Ju. Port construction[M]. Tianjin: Tianjin University Press, 2005: 30-31. (in Chinese)
    [3] DEHKORDI B G, MOGHADDAM H S, JAFARI H H. Numerical simulation of flow over two circular cylinders in tandem arrangement[J]. Journal of Hydrodynamics (SerB), 2011, 23(1): 114-126. doi:  10.1016/S1001-6058(10)60095-9
    [4] ONG M C, UTNES T, HOLMEDAL L E, et al. Numerical simulation of flow around a smooth circular cylinder at very high Reynolds numbers[J]. Marine Structures, 2009, 22(2): 142-153. doi:  10.1016/j.marstruc.2008.09.001
    [5] 刘松, 符松. 串列双圆柱绕流问题的数值模拟[J]. 计算力学学报,2000,17(3):260-266. (LIU Song, FU Song. Numerical simulation of flow past two cylinders in tandem arrangement[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2000, 17(3): 260-266. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1007-4708.2000.03.002
    [6] 刘景伟, 郭海燕, 赵婧, 等. 等直径串列双圆柱体绕流的数值模拟[J]. 中国海洋大学学报,2013,43(12):92-97. (LIU Jingwei, GUO Haiyan, ZHAO Jing, et al. Numerical simulation of flow around two tandem circular cylinders of equal diameter[J]. Periodical of Ocean University of China, 2013, 43(12): 92-97. (in Chinese)
    [7] 樊娟娟, 唐友刚, 张若瑜, 等. 高雷诺数下圆柱绕流与大振幅比受迫振动的数值模拟[J]. 水动力学研究与进展(A辑),2012,27(1):24-32. (FAN Juanjuan, TANG Yougang, ZHANG Ruoyu, et al. Numerical simulation of viscous flow around circular cylinder at high Reynolds numbers and forced oscillating at large ratio of amplitude[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics (SerA), 2012, 27(1): 24-32. (in Chinese)
    [8] PRSIC M A, ONG M C, PETTERSEN B, et al. Large Eddy Simulations of flow around a smooth circular cylinder in a uniform current in the subcritical flow regime[J]. Ocean Engineering, 2014, 77: 61-73. doi:  10.1016/j.oceaneng.2013.10.018
    [9] 周强, 曹曙阳, 周志勇. 亚临界雷诺数下圆柱体尾流结构的数值模拟[J]. 同济大学学报(自然科学版),2013,41(1):33-38. (ZHOU Qiang, CAO Shuyang, ZHOU Zhiyong. Numerical studies of wake characteristics on a circular cylinder at sub-critical Reynolds number[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2013, 41(1): 33-38. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.0253-374x.2013.01.006
    [10] 贾晓荷, 刘桦. 双圆柱绕流的大涡模拟[J]. 水动力学研究与进展(A辑),2008,23(6):625-632. (JIA Xiaohe, LIU Hua. Large eddy simulation of flow around two circular cylinders[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics (SerA), 2008, 23(6): 625-632. (in Chinese)
    [11] 沈立龙. 内河架空直立式码头桩柱水动力特性现场测试研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2015.

    SHEN Lilong. Field testing study on pile hydrodynamic characteristics of inland river suspended vertical wharf[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2015. (in Chinese)
    [12] CATALANO P, WANG M, IACCARINO G, et al. Numerical simulation of the flow around a circular cylinder at high reynolds numbers[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2003, 24(4): 463-469. doi:  10.1016/S0142-727X(03)00061-4
    [13] AI Y H, FENG D K, YE H K, et al. Unsteady numerical simulation of flow around 2-D circular cylinder for high reynolds numbers[J]. Journal of Marine Science and Application, 2013, 12(2): 180-184. doi:  10.1007/s11804-013-1183-0
    [14] 中华人民共和国交通运输部. 港口工程荷载规范: JTS 144-1−2010[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

    Ministry of Transport of the People's Republic of China. Load code for harbour engineering: JTS 144-1−2010[S]. Beijing: China Communications Press, 2011. (in Chinese)
    [15] ZDRAVKOVICH M M. Flow induced oscillations of two interfering circular cylinders[J]. Journal of Sound and Vibration, 1985, 101(4): 511-521. doi:  10.1016/S0022-460X(85)80068-7
    [16] ZDRAVKOVICH M M. The effects of interference between circular cylinders in cross flow[J]. Journal of Fluids and Structures, 1987, 1(2): 239-261. doi:  10.1016/S0889-9746(87)90355-0
    [17] 蒋仁杰. 圆柱绕流场涡致柱体振动的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2013.

    JIANG Renjie. Research on vortex-induced vibrations in the flow around circular cylinders[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013. (in Chinese)
  • [1] 隗岚琳, 刘东升, 吴杰, 吕浩博, 章文亭.  径潮相互作用对感潮河段湿地水热盐影响的数值模拟 . 水利水运工程学报, 2023, (4): 22-33. doi: 10.12170/20221130005
    [2] 张晔, 侯精明, 张玉蓉, 张兆安, 马勇勇, 毛拥政, 程汉鼎, 周伟.  漂流河段水动力数值模拟研究 . 水利水运工程学报, 2021, (6): 73-79. doi: 10.12170/20210120005
    [3] 王浩然, 王志亮, 王星辰.  含缺陷岩样三轴压缩变形破坏过程颗粒流模拟 . 水利水运工程学报, 2021, (4): 46-53. doi: 10.12170/20200912001
    [4] 康永德, 侯精明, 石宝山, 郭敏鹏, 潘占鹏, 于国强, 洪增林.  泥石流的数值模拟及危险性评价 . 水利水运工程学报, 2021, (4): 75-84. doi: 10.12170/20201029001
    [5] 张铭, 谢红, 杨宇, 王晓刚, 赵建平.  崔家营枢纽下游流场模拟与鱼类水力特性偏好研究 . 水利水运工程学报, 2021, (5): 40-47. doi: 10.12170/20201128001
    [6] 姚原, 顾正华, 李云, 辜樵亚, 范子武.  森林覆盖率变化对流域洪水特性影响的数值模拟 . 水利水运工程学报, 2020, (1): 9-15. doi: 10.12170/20190501003
    [7] 杨昌明, 姚池, 兰雁, 邹瑞, 黄劲松.  块石形状尺寸对水平拖曳力系数影响的数值模拟 . 水利水运工程学报, 2019, (3): 41-50. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.006
    [8] 潘冬冬, 郝嘉凌, 王红川.  规则波作用下潜堤透浪系数数值模拟 . 水利水运工程学报, 2017, (1): 95-102. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.01.013
    [9] 祝龙, 周冬卉, 李云, 宣国祥, 王晓刚.  土坝溃决跌坎水流水动力特性数值模拟 . 水利水运工程学报, 2017, (5): 1-8. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.05.001
    [10] 陈琼, 李云, 刘本芹, 王小东.  高水头船闸一字闸门水动力特性数值模拟 . 水利水运工程学报, 2017, (1): 87-94. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.01.012
    [11] 王倩芸, 储昊.  透水框架的三方柱绕流数值分析 . 水利水运工程学报, 2016, (6): 61-68.
    [12] 钟亮, 许光祥, 何艳军.  倒顺坝坝头绕流特性及其在航道整治中的应用 . 水利水运工程学报, 2015, (2): 9-17.
    [13] 丁晶晶, 陆 彦, 陆永军.  台阶式丁坝水动力特性及防冲效应 . 水利水运工程学报, 2014, (5): 67-74.
    [14] 刘 肖, 陈青生, 魏小旺.  参数率定方案对水温数值模拟结果的影响 . 水利水运工程学报, 2014, (4): 82-86.
    [15] 丁晶晶, 陆彦, 陆永军.  透水框架在改进丁坝结构型式上的应用 . 水利水运工程学报, 2014, (6): 30-38.
    [16] 卢陈,刘晓平,林积大,刘霞.  水平荷载下底梁式全直桩码头横向荷载传递规律 . 水利水运工程学报, 2012, (1): 43-48.
    [17] 莫思平,辛文杰,应强.  广州港深水出海航道伶仃航段回淤规律分析 . 水利水运工程学报, 2008, (1): 42-46.
    [18] 何杰,辛文杰.  潮汐河口汊道治理的数值模拟 . 水利水运工程学报, 2008, (1): 61-66.
    [19] 潘存鸿,鲁海燕,曾剑.  钱塘江涌潮特性及其数值模拟 . 水利水运工程学报, 2008, (2): -.
    [20] 陈为博,杨敏.  用VOF方法数值模拟溢流堰流场 . 水利水运工程学报, 2004, (4): 42-45.
  • 加载中
图(14) / 表 (4)
计量
  • 文章访问数:  818
  • HTML全文浏览量:  346
  • PDF下载量:  27
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-04
  • 刊出日期:  2020-02-01

/

返回文章
返回