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刚性圆柱群绕流及涡激振动实验研究

时间:2019-01-08 22:12来源:硕士论文作者:lgg 点击:
本文是一篇水利工程论文,英语专业学生主要学习英语语言、文学,英美等英语国家历史、政治、经济、外交、社会文化等方面基本理论和基本知识,受到英语听、说、读、写、译等方面的良好
本文是一篇水利工程论文,英语专业学生主要学习英语语言、文学,英美等英语国家历史、政治、经济、外交、社会文化等方面基本理论和基本知识,受到英语听、说、读、写、译等方面的良好的技巧训练,掌握一定的科研方法,具有从事翻译、研究、教学、管理工作的业务水平及较好的素质与能力。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇水利工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景和意义
水利工程中,刚性圆柱群是一种广泛应用的水工建筑物类型,例如高桩码头、跨海大桥、海上平台立管和张力腿、港口防浪桩群及桥墩桩基结构等,如下图所示;此类含刚性圆柱群结构的水工建筑物在水利工程安全运行中发挥了重要作用,但刚性圆柱群结构的存在将导致河道过流面积减小引起河道过流能力降低,影响河道的行洪安全。实际工程中,若完全忽略刚性圆柱群结构存在引起的河道阻流特性的改变,将导致计算出的河道水面线偏于不安全,不利于河道防洪度汛安全。因此,开展相关含有刚性圆柱群结构河道的综合阻力系数和河床糙率系数的研究是十分必要和相关的,有利于为类似河道的调洪演算及防洪安全评价中系数选取提供参考。2013 年 7 月,我国四川江油地区遭受强降雨,降雨引起的山洪导致当地桥梁被冲毁,导致五人死亡七人失踪的惨烈安全事故;后经调查发现受山洪影响,桥墩桩基区域由于水流流速急剧增大导致桩基被冲毁,从而导致桥梁破坏[1]。2017 年 6 月,太广高速江西境内,由强降雨引起山洪爆发,河床区域内高架桥的桩基遭破坏裸露,严重影响大桥运行安全[2];如下图所示。有学者指出,可在河道中的建筑物上游一侧布置刚性圆柱群结构,将有利于降低建筑物上游河床区域内水流流速,可对建筑物起到保护作用。基于此,本文结合模型实验,探讨了水流经过刚性圆柱群结构前后,刚性圆柱群对水流结构的调整机理;了解刚性圆柱群结构对建筑物的防护效果。
.........
 
1.2 国内外研究现状
 
1.2.1 柱群阻流特性研究现状
日常生活中,河道中的刚性圆柱群结构类型多样,包括各类刚性植被、人工布置桩群结构。刚性圆柱群的存在,减小了河道中过水面积,增大了河床糙率系数,提升了河道阻流能力,在刚性圆柱群上游出现明显雍水现象;不利于汛期河道行洪安全[5~7]。国外于上世纪初,就开展了相关研究,研究与刚性圆柱群类似的刚性植被在淹没条件下阻流特性;探讨了含刚性植被河道有效过流渠道面积,通过室内水槽模型实验,研究含刚性植被水流的阻流特性,包括河道综合阻力系数和河床糙率系数,其研究的核心是探讨由刚性圆柱群引起的河道附加阻流特性,并给出相关阻力计算半经验公式[8]。Chowt[9]在对前人的研究进行总结后,将河道中水生植被划分为五种类型,然后以曼宁系数n作为河道阻流能力特征值,绘制出n   VR关系曲线;详见表 1-1 与图 1-6。Hsieh[10]和 Li &Shen[11~12]等通过在室内水槽实验,发现柱群的排列形式和布置密度均会对水槽中水流流速产生影响,水槽阻力系数与柱群布置密度成正比,糙率系数n与VR具有相关函数关系。Dunn[13]等在矩形渠道中分别对淹没的刚性圆柱群进行实验,其实验结果与Hsieh等人一致。 Huai[14]结合室内实验和掺混长度理论,将明渠植被水流在垂直方向上划分为三个层次,分别为植被上层、植被层和植被底层,并建立了相关的纵向流速垂线分布,提出植被水流中垂线流速的分布形式为“S 型”。国内大量学者开展了关于由刚性圆柱群存在而引起河道水利特性改变的研究;1990年孙梅秀[15~16]根据模型实验,发现有桩群结构引起的局部水头损失是研究柱群阻水特性的关键,.
.........
 
2 含刚性圆柱群模型实验装置及测量系统
 
研究水流经过圆柱群前后流场结构改变,主要通过对水流经过柱群结构前后各关键参数进行测量;本章节将对本次实验所采用的实验设备及测量系统进行详细介绍。
 
2.1 数字化变坡玻璃水槽实验系统
关于流体运动的研究方法目前主要有理论分析、数值模拟及模型实验等,但模型实验较之理论分析和数值模拟具有更为直观清晰的特点,在流体研究中得到广泛应用。本文实验研究方法主要通过对流体进行可视化测量,其能形象且直观的给出流动演化过程及流场分布。本次实验在西安理工大学流动可视化及多相流实验室中进行。实验采用水槽为英国Armfied 公司生产的大型室内实验水槽系统,水槽由水箱、离心泵、玻璃水槽及实验控制平台四个部分组成。其中水槽长 10.0m,宽 0.3m,高 0.5m,水槽三面采用钢化玻璃搭建,能有效减小实验时水槽的边壁阻力效应,减少实验干扰;如图 2-1 所示。实验采用离心泵循环造流系统,能有效控制流速和水位,得到较为理想的均匀流。实验控制平台具有流量控制、造波及数字化显示功能,可产生的水流流量范围为 0L/s ~ 30L/s,如图 2-2 所示。
..........
 
2.2 刚性圆柱群材料选取
实验采用长 0.15m,直径 8mm 的中空有机玻璃棒模拟刚性圆柱体,保证玻璃板在水流作用下不发生变形。为方便对真空玻璃棒进行固定,采用在有机玻璃板上打孔安置刚性圆柱体(孔径为 8mm,孔距为 20mm),有机玻璃板尺寸为 1.2*0.3m,如图 2-3 所示。实验中对水流流速场及涡量场的测量采用粒子图像测速系统(PIV ),该系统组成包括: Vlite  350型双脉冲 Nd :YAG 激光,激光器的最大脉冲频率为7.4Hz ,脉冲能量为350 mJ / pulse,激光波长 532nm ,脉冲宽度10 ns   1000s。激光由1000mm 球面透镜产生并通过柱面透镜扩散;CCD 相机,相机分辨率为2048 × 2048pix;同步器和图像后处理系统构成;PIV 系统构成如图 2-5。其工作原理是通过在水体中布撒与水流密度相当的且具有良好激光反射性的示踪粒子,利用激光照射测量断面,再通过高速CCD摄像机对流场中粒子的运动轨迹进行拍摄,最终将数据传输进计算机,结合互相关算法对流场进行描绘。
.........
 
3 布置有柱群结构河道的阻流特性实验研究.....15
3.1 实验方案.......... 15
3.2 水动力学参数测定及分析............ 18
3.3 刚性圆柱群绕流水动力学特性分析...... 19
3.4 正交设计及数据分析.......... 36
3.5 本章小结.......... 40
4 布置有柱群结构河道的柱群绕流实验研究.....42
4.1 实验方案.......... 42
4.2 布置有柱群结构河道的明渠流二维流场测量及分析........ 44
4.3 布置有柱群结构河道的明渠流垂线流速分布.......... 54
4.4 本章小结.......... 61
5 布置有柱群结构河道的涡激振动实验研究 .... 63
5.1 实验方案.......... 63
5.2 布置有柱群结构河道的明渠流二维涡量场测量及分析.... 63
5.3 本章小结.......... 68
 
5 布置有柱群结构河道的涡激振动实验研究
 
根据上文研究可知在含有刚性圆柱群结构的河道中,河道阻流能力明显增大,河道的过流能力降低。同时,淹没状态下的刚性圆柱群结构对水流紊动具有掺混效应,增大了水流紊动强度。本章在前文研究基础上,采用 Dynamicstudio 及 Tecplot 软件对于上述二维流速矢量场进行处理分析,得出相应测试区域内的涡量场分布情况。
 
5.1 实验方案
根据实验研究目的,实验在如前所述的数字化边坡水槽中进行,实验时水槽底坡固定不变,底坡设置为1% ;刚性圆柱群布置形式及涡量场测量系统布置均与第 4 章布置相同,实验中采用二维 PIV 对含刚性圆柱群明渠流的二维时均涡量场的变化进行测量,对比水流在柱群上游、上游交界处、柱群内部、下游交界处及柱群下游处二维时均涡量场的改变,进一步深入探讨刚性圆柱群结构对水流紊动强度的调整。实验过程中水槽流速仍控制为30.018m /s ,通过调节水槽尾门,保持实验过程中水槽上下游水深均保持为0.25m。本节主要探讨水流经过刚性圆柱群结构前后,二维涡量场发展变化趋势。实验采用二维PIV 对刚性圆柱群结构上游、上游交界、柱群内部、下游交界及柱群下游等区域进行测量。实验时,将 PIV 片光源布置于水槽中部,垂直于水槽下垫面且与水流方向平行,确保拍摄涡量场平面为垂直与水槽 XOY 平面。
.........
 
结论
 
本文中实验均在西安理工大学流动可视化实验室内进行,搭建了含刚性圆柱群结构的水槽实验系统和测量系统。模拟了含刚性圆柱群结构明渠流,通过调整水槽尾门保持实验过程中上下游水深一致,并采用水位测针及二维PIV 测速系统分别探讨了含柱群结构河道的阻流流特性、二维流速场和涡量场,并得出了一些研究结论。本文的创新性和主要结论有:在可变坡水槽中,研究了不同水流流量、柱群结构布置形式和布置密度等对于河道阻力系数和糙率系数的影响趋势。相较于前人关于刚性圆柱群结构对于河道阻流特性的研究,本文关于河道阻流特性的实验中,对刚性圆柱群的布置密度进行了明确定义;并结合正交设计探讨了以上因素对河道阻流特性的敏感性,具体结论如下:
(1)探讨了在不同刚性圆柱群布置形态及布置密度下,水流阻力系数与流量关系,结果表明阻力系数与过流流量呈现为负相关性,当流量增大后柱群上方过流面积增大,水流阻力系数减小,并最终趋向于稳定。
(2)正交实验数值分析结果表明,水流流量、刚性圆柱群布置形式和布置密度对阻力系数影响敏感顺序依次为:水流流量>布置形式>布置密度;其中水流流量对水流阻力系数具有显著影响,柱群布置形式与布置密度对于水流阻力系数影响不显著。
(3)关于水槽糙率系数研究表明,布置有刚性圆柱群结构的河道中,糙率系数相比无刚性圆柱群河道提升明显,实际工程中,不能忽略柱群结构对河道糙率系数的改变。
(4)关于刚性圆柱群结构对河道糙率系数敏感性分析结果为:上述影响因子对河道糙率影响敏感顺序依次为:水流流量>布置形式>布置密度;其中柱群布置形式与水流流量对水流阻力系数具有显著影响,布置密度对于水流糙率系数影响不显著。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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