外文翻譯--橋墩周圍的紊流和沖刷比尺效應(yīng)的cfd建模研究（譯文）

1、 橋墩周圍的紊流和沖刷比尺效應(yīng)的 CFD 建模研究第 1 頁(yè) 共 17 頁(yè)中文 7200 字出處：Huang W, Yang Q, Xiao H. CFD modeling of scale effects on turbulence flow and scour around bridge piers[J]. Computers & Fluids

2、, 2009, 38(5):1050-1058.橋墩周圍的紊流和沖刷比尺效應(yīng)的 CFD 建模研究黃文銳 a，楊齊平 b，肖鴻 ba 美國(guó) 佛羅里達(dá)州 32310 塔拉哈西市 Pottsdamer 街 2525 號(hào) A129 室 佛羅里達(dá)農(nóng)工大學(xué)佛羅里達(dá)州立大學(xué)工程學(xué)院 土木與環(huán)境工程系b 美國(guó) 佛羅里達(dá)州 塔拉哈西市 佛羅里達(dá)州立大學(xué) FAMU-FSU 工程學(xué)院 土木工程系論文信息論文歷史：2007 年 8 月 2

3、0 日收稿2007 年 12 月 8 日修回2008 年 1 月 18 日接受2008 年 4 月 15 日在線刊登摘要橋墩周圍的泥沙沖刷是一個(gè)全國(guó)關(guān)注的問題，因?yàn)榻陙硭鼘?dǎo)致的橋梁破壞超過其它所有原因?，F(xiàn)有的橋梁沖刷方程出自 HEC-18，它是由規(guī)模相對(duì)較小的實(shí)驗(yàn)室研究推導(dǎo)得來的。Mueller 的實(shí)地研究（Mueller D, Wagner Chad R.橋墩沖刷預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)實(shí)地測(cè)量分析。第一國(guó)際會(huì)議 ICSF-1 期刊基礎(chǔ)沖刷，德州

4、工農(nóng)大學(xué)學(xué)院站，德克薩斯州，美國(guó)；2002）表明很難從大型橋墩獲得的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證沖刷方程。在這項(xiàng)研究中，數(shù)值模擬計(jì)算用 3DCFD 模型進(jìn)行檢驗(yàn)紊流和泥沙沖刷的比尺效應(yīng)。對(duì)于大尺寸模型而言，物理模型試驗(yàn)和邊界速度來自于小尺寸模型，這些小尺寸模型是以弗勞德相似準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的。水流和泥沙沖刷的結(jié)果是由以下兩種同的方法得來的： (a) 廣泛應(yīng)用于物理建模的弗勞德相似準(zhǔn)則； (b) 原尺寸的 3DCFD 建模。在物理建模中，忽略了雷諾數(shù)的影響

5、，而 CFD 模型卻不同與此，它采用二階紊流模型計(jì)算紊流速度和泥沙沖刷。紊流和泥沙沖刷的比尺效應(yīng)是通過將來自于原尺寸數(shù)值模擬的結(jié)果和來自于弗勞德相似準(zhǔn)則研究方法的結(jié)果進(jìn)行比較來研究的。 愛思唯爾有限公司 2008 年版，公司保留所有解釋權(quán)。橋墩周圍的紊流和沖刷比尺效應(yīng)的 CFD 建模研究第 3 頁(yè) 共 17 頁(yè)發(fā)展過程。Ribberink 等[14]進(jìn)行了在一個(gè)大型振動(dòng)的水槽中流速和含沙量隨時(shí)間變化的測(cè)量。最近，幾個(gè)二相水流建模技術(shù)已

6、經(jīng)開發(fā)出來了。Richardson 等[15]模擬橋墩周圍有沖刷洞和無沖刷洞的水流結(jié)構(gòu)。將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)行對(duì)比，他們發(fā)現(xiàn)三維水動(dòng)力模型能更好的模擬橋墩周圍復(fù)雜的水流流態(tài)。Wang 等[21] 使用 CCHE3D 模擬橋墩周圍沖刷洞的變化發(fā)展，還檢測(cè)了包括不同流態(tài)對(duì)泥沙輸移的影響。Chang 等[4]使用大渦數(shù)值模擬(LES)模型來解決橋墩周圍的定床和無沖刷條件的流體方程。Tseng 等[20]用 LES 進(jìn)行了方形和圓形橋墩的數(shù)值

7、模擬。他們發(fā)現(xiàn)向下流是在橋墩前面形成的，并影響了馬蹄形漩渦的形成。他們也把紊流結(jié)構(gòu)、升力系數(shù)和阻力系數(shù)與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，取得較好的擬合。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的沖刷預(yù)測(cè)方法和沖刷方程并不能總是為現(xiàn)場(chǎng)條件提供合理的結(jié)果[11]。雖然弗勞德相似準(zhǔn)則在表面重力水流扮演重要的角色，但是對(duì)于橋墩周圍的水流而言，紊流影響不能忽略不計(jì)。在這項(xiàng)研究中，數(shù)值模擬是用來研究橋墩附近的紊流和泥沙沖刷的比尺效應(yīng)。FLUENT 軟件是用來預(yù)測(cè)圓柱墩周圍的三維流

8、態(tài)。用FLUENT 軟件制作出來的紊流和泥沙模型很好的驗(yàn)證了小型橋墩周圍沖刷的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于大比例尺模型而言，物理模型和邊界速度是從以弗勞德相似定律為基礎(chǔ)的小比例尺模型中建立起來的。CFD 模型與物理模型不同，物理建模忽略了紊流雷諾數(shù)的影響，而 CFD 模型采用二階紊流模型來計(jì)算紊流速度和泥沙沖刷。紊流和泥沙沖刷的比尺效應(yīng)是通過將原尺寸數(shù)值模擬模型中得到的不同結(jié)果與弗勞德的相似性準(zhǔn)則中得到的結(jié)果進(jìn)行比較來研究的。2 流體動(dòng)力學(xué)方程中的動(dòng)

9、力相似以相似理論為基礎(chǔ)的物理建模已經(jīng)廣泛應(yīng)用于研究橋墩周圍的紊流和泥沙沖刷。在 FHWA（美國(guó)聯(lián)邦公路局）編訂的 HEC-18 手冊(cè)[6]中，泥沙沖刷方程是從以弗勞德相似準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中得來的，由于同時(shí)滿足弗勞德相似準(zhǔn)則和雷諾相似準(zhǔn)則比較困難，所以在這些試驗(yàn)中忽略了雷諾數(shù)和紊流的影響。盡管通常情況下弗勞德相似準(zhǔn)則在表面重力水流中扮演著重要的角色，對(duì)于橋墩周圍的水流而言，紊流的影響也并不是可以忽略不計(jì)的。在這項(xiàng)研究中，數(shù)值模