基于PIV技术的开孔桥墩周围的水动力特性的研究

基于PIV技术的开孔桥墩周围的水动力特性的研究

孙培越

（新疆昌吉州第一中学）

摘要：桥墩的局部冲刷问题一直以来倍受科学研究者们的关注。基于粒子图像测速技术，对桥墩冲刷后方产生的旋涡进行涡量场与速度场的分析，比较了不同半径、不同粗糙程度的桥墩的涡量场与速度场差异，得出了如下结论：桥墩的半径对于桥墩背流面产生的旋涡的速度场与涡量场影响并不显著，可以忽略不计；桥墩的粗糙程度越大，桥墩尾部产生的旋涡速度越小，涡量越小，对于桥墩的冲刷力度就越小。以上结论对于规划设计者在建造桥梁的的规划有着重要的现实意义，即应选取粗糙程度大的、半径大的桥墩进行建造，以减少桥体的侵损、保证通航的安全。

关键词：开孔桥墩；PIV技术；涡量场；速度场

1.引言

当水流过桥墩后，会在桥墩的背流面形成复杂的三维流场，从而对桥体本身会进行冲刷，造成经济损失，甚至由于水流造成的桥墩后方淤泥的堆积而带来了通航的安全隐患而出于经济与安全的角度考虑，桥墩结构和材料都应该进行改造[1]桥墩局部冲刷问题一直以来倍受国内外学者的关注，其中，孙东坡进行了桥墩冲刷坑的三维流场测量与数值模拟研究，得出了“增加防护坝可以使桥墩局部冲刷坑深度相应减少：拦沙坝与桥墩之间的距离过高反而会造成桥墩局部冲刷深度增大”的结论[2]。欧阳飞通过数学计算推导出了弗汝德数的计算公式，并得出了“墩柱周围紊动宽度随弗汝德数的增加而增加”的结论[3]。熊文基于动网格自更新技术的三维CFD冲刷模型，得出了“从最大冲刷深度来看，排墩最大，双柱墩次之，单柱墩最小”的结论[4]。观察以上实验研究发现，他们的结论都是与改变桥墩的自身结构或者对于桥墩的宏观位置摆放进调整，但都没有从微观上去深入研究，本课题弥补了这一缺失，对桥墩的粗糙程度对其周围流场的速度场及涡量场进行研究，得到了“桥墩的粗糙程度越大，其背流面形成旋涡的速度及涡量就越小，对桥墩的冲刷力度就越小”的结论，为建桥时桥墩材料的选取提供了建议。

2.实验装置与设计

2.1PIV技术

粒子图像测速技术是本实验的核心技术，它突破了以往测速技术的单点、接触式的局限，具有瞬态、多点、无接触式的特点[5]。通过CCD照相机以200帧每秒的高速进行频闪曝光，可得到某一极短时间内粒子的位移，用位移比时间即可近似代替该时刻粒子的瞬时速度，通过Micro-Vec软件进行速度矢量分析处理，并通过Tecplot软件得到其速度场与涡量场，即可进行旋涡属性的对比分析，以得出结论。

打开激光时实验仪器的状态

2.2材料与仪器

本实验涉及到的实验器材有：接有可变电压的激光发射源、准直透镜、会聚透镜、柱透镜、水槽、CCD相机、示踪粒子（直径为5um的空心玻璃小球）、烧杯、玻璃棒、胶头滴管、超声波清洗器。

2.3实验过程

该实验采用不同半径大小及表面粗糙程度不同树脂材料的圆柱体来模拟桥墩，用小型可推水板来制造水流，在进行了尺度标定之后便可以进行实验。

本实验的自变量主要为桥墩的粗糙程度，由于实验材料有限，所以就以是否开孔以及孔径的大小来代替桥墩的粗糙程度。

实验（1）：取两个圆柱，使它们的半径大小不一致，而其光滑程度（均未打孔）相同。

实验（2）：取两个圆柱，使它们的半径大小一致，而其光滑程度不一致。

该实验的粗糙程度梯度共有三个：光滑（无孔）、较粗糙（开有小孔）、粗糙（开有大孔）。

3.实验结果与分析

3.1实验结果

对于实验对照组(1)，当圆柱的直径为3cm时，由流线图可知（图像左边为背流面、右边为迎流面，下同）：先是在圆柱的背流面形成了卡门涡街现象，当卡门涡街现象逐渐消失后，在其后方位置形成了单个旋涡（与图2大致相同），如图1所示：

图13cm直径圆柱扰流流场变化-卡门涡街

当圆柱的直径为1.5cm时，由流线图可知：在背流面形成了单个旋涡，如图2所示：

图21.5cm直径圆柱扰流流场变化-单个旋涡

对于实验对照组（2），所选用的圆柱直径均为3cm，对于无孔时流线图的分析可参考上述图1、2，在此就不再阐述。

当开孔孔径为1mm时，根据得到的流线图可知：在圆柱的背流面的前方形成单个小旋涡。而当开孔孔径为3mm时，在圆柱的背流面下方形成单个旋涡，情形均与图2相似。

3.2分析与讨论

已知该实验的自变量为圆柱的半径，当柱体的直径为3cm时，根据流线图可知二者最大的相同点是最后在圆柱的背流面形成单个旋涡，而且二者出现的位置也大致相同，所以下面将对该旋涡进行分析，具体步骤如下：选取某一特定的x坐标，以y轴为自变量，通过Tecplot软件得到每一个y坐标对应点的涡量及速度，将所得的数据通过Excel软件绘制成图像后可知二者的涡量变化差异并不显著，可以忽略不计。由此可得结果：圆柱的直径大小并不对圆柱的背水面产生的旋涡及速度产生影响。

当圆柱的孔径为2mm时，根据流线图可知，二者最大的相同点是均会在圆柱背流面的下方产生单个旋涡，所以对该种旋涡进行分析，具体方法与实验对照（1）相近，只不过这次旋涡的位置差距较大，需要规定测量y坐标的范围。将所得数据绘制成图表得到的图像如下图3、4所示：

图3不同粗糙程度圆柱对旋涡涡量的影响

由图可得到如下结果：圆柱的开孔孔径越大，其背流面产生的旋涡的涡量变化范围就越小，旋涡对圆柱的影响也就越小。

4.结论

1.圆柱的半径对于圆柱背流面产生的旋涡的速度场与涡量场影响并不显著，可以忽略不计。

2.圆柱的粗糙程度越大，圆柱尾部产生的旋涡速度越小，涡量越小，对于圆柱的冲刷力度就越小。

在建桥前对于桥墩的材料选取对桥墩冲刷具有显著影响，且所选材料的摩擦因数越大，产生的旋涡更稳定，其平均涡量也越小，速度越小，对于桥体的侵损越小。所以在建桥规划中，应选用摩擦因数较大的材料来建造桥墩。

图4不同粗糙程度圆柱对于旋涡速度的影响

参考文献

[1]蒋昌波，王刚，邓斌，刘易庄新型开孔桥墩水动力特性的PIV试验[J]，水科学进展，2014(5),2-3

[2]孙东坡，杨慧丽，张晓松，王二平桥墩冲刷坑的三维流场测量与数值模拟[J]，水科学进展，2007(9)，第18第5期，1-6

[3]欧阳飞桥墩周围紊流区宽度及桥梁通航孔净宽研究[D]，长沙理工大学，2005(3),55-59

[4]熊文，汪吉豪，叶见曙结构形式对桥墩局部冲刷三维性态发展的影响[J],东南大学学报(自然科学版)，2014(1)，第44卷第1期，1-7

[5]吴剑,齐鄂荣,李炜,黄明海,李国亚应用PIV系统研究横流中近壁水平圆柱绕流旋涡特性[J],水科学进展，2005(9)，第16卷第5期，1-2