使用FLOW-3D软件进行圆形桥墩局部冲刷的三维数值模拟

*本文译自2020年IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 第745卷

Halah Kais Jalal¹, Waqed H. Hassan²

¹ Graduate student, Civil Engineering Department, University of Kerbala, Kerbala, Iraq.

² Professor, University of Kerbala, Kerbala, Iraq.

1. 背景

本研究探讨了桥墩周围的局部冲刷问题，该问题常导致桥梁结构失效。局部冲刷的预测对于桥梁的设计、维护和评估至关重要。许多研究者从不同角度和条件下广泛研究了冲刷问题。冲刷通常包括一般冲刷、渐缩冲刷和局部冲刷三种类型，其中局部冲刷是重点。过去的研究大多聚焦于使用实验测试分析桥梁的局部冲刷，但这些方法成本高且劳动密集。近年来，随着计算机和软件的发展，三维模拟冲刷的方法变得更加普遍，使用计算流体动力学（CFD）软件如FLOW-3D进行数值模拟成为一种有效手段。本研究旨在通过与实验结果的比较，验证FLOW-3D模型在预测桥墩周围冲刷深度方面的准确性。

2. 数值和实验模型

为验证FLOW-3D数值模型在模拟桥墩周围流动和预测局部冲刷深度的准确性，与Melville实验的果进行比较。实验与数值模型的条件相似，实验模型使用一个19米长、45.6厘米宽、44厘米深的水槽，圆形桥墩直径为5.08厘米。水槽中使用沙粒作为床材料，沙粒直径为0.385毫米，高度12.7厘米，密度2650千克/立方米，沙子的休止角为32度。进水速度为0.25米/秒，水深为15厘米，模拟时间为30分钟。

图1. Melville实验平面示意图

数值模型中，进水口位于桥墩上游6倍桥墩直径处，直径为5.08厘米；出水口位于桥墩下游14倍桥墩直径处。为防止泥沙向上运动，进水底部设置了一个固体组件，其高度为12.7厘米，并在水槽中放置了高度为12.7厘米的填充泥沙。

图2. FLOW-3D数值模型

3. 数值方法

FLOW-3D软件是由Flow Science, Inc.开发，采用VOF和FAVOR两种方法来确定自由表面和障碍物的位置。FLOW-3D使用专门开发的数值技术求解液体的运动方程，以获得多尺度流动和物理问题的三维瞬态解。FLOW-3D用于模拟桥墩周围的冲刷过程，具有研究液体和气体行为的强大能力，专门用于解决瞬态自由表面问题和泥沙输移。采用非流体静力有限差分模型求解Navier-Stokes三维方程。

控制方程

紊流模型

泥沙冲刷模型

网格划分

图3. 网格单元尺寸对冲刷深度的影响

图4. 圆形桥墩周围的网格平面结构

边界条件

图5. 数值模型的边界条件

4. 冲刷深度预测结果的验证

为了测试数值模型的有效性，该数值模型在与实体模型相似的条件下进行了模拟。图（6）显示数值模型在30分钟模拟时间内最大冲刷深度的三维预测结果。

图6. 桥墩周围不同视角下的冲刷深度（负值）

图（7）显示了实体模型中圆形桥墩周围的冲刷深度结果，而图（8）显示了数值模型的冲刷深度。这些结果以等高线形式表示圆形桥墩周围冲刷深度的演变。

图7. Melville模型中圆形桥墩周围冲刷深度的等高线表示

图8. 数值模型中桥墩周围冲刷深度的等高线表示

图（9）显示了冲刷深度随时间的变化，并将最终结果与实验值进行了比较。数值模型得到的最大冲刷深度为3.6cm，而实验模型的最大冲刷深度为4cm。模拟结果与实验结果一致性良好，误差率接近10%。

图9. 圆柱形桥墩周围的冲刷深度随时间变化

图（10）和（11）显示了30分钟模拟时间下实验测量和数值模拟之间y=0切片上流速分布的比较。通过0.25m/s的平均流速方法对类似实验的速度进行归一化。在实验和数值模拟中，可以注意到，沿桥墩表面形成的强烈向下流动在河床附近产生了相当大的速度分量，导致圆形桥墩周围的流速剖面变形。水流在冲刷坑前缘分离，并在桥墩前重新汇合，形成马蹄涡，这在模拟与实验中均清晰可见。根据这些结果，使用FLOW-3D数值模型进行的冲刷模拟是准确预测桥墩冲刷深度和桥墩周围流场的首选方法。

图10. Melville绘制的30分钟桥墩周围流速等值线图

图11. 通过数值模拟得到的30分钟时桥墩周围流速分布的等值线图

5. 结论

本研究旨在验证该数值模拟在预测桥墩冲刷深度演化方面的有效性。通过比较FLOW-3D数值模型和Melville实验模型冲刷30分钟的结果，得出了验证结论。冲刷坑最大深度的误差率为10%，这一观测结果表明数值和实验之间具有良好的验证性，因此数值模拟成功地再现了冲刷深度。根据这些结果，数值模型FLOW-3D被认为是模拟和预测桥墩周围冲刷深度和流场的有效工具。

了解更多细节，可参考以下原文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/745/1/012150/pdf