河流中圆形桥墩的绕流模拟分析

李征

摘要：在当今社会中河流很多，在河流的上空往往成为了交通和人们的方便会在河流上修建渠渠交叉建筑物，和渠系交叉建筑物，这就少不了在水中修建支撑上部结构的承载体。然而在水中修建的承载体必将会对河流的流速、流态等产生影响，必然会对河流的原方向产生干扰和影响，所以研究绕流的模拟分析是有着重要而又有价值的意义。本文以一个简单而又直观的模拟分析了圆柱形桥墩的绕流的模拟情况，并分析了模拟过程。在绕流的节点处发生了水流流速、加速度的改变，水流还产生了漩涡、并伴随有能量的损失，这些都将提醒我们在做绕流时要注意墩位处的水流状态。绕流妥善合理化的处理，以免发生一些不必要的损失，和一些可避免的失误，同时也告诉我们了一些水流过后的形态以及水流对桥墩的影响。同时还能有效地分析绕流点附近的流速分布情况。

关键词：绕流、加速度、CFD、绕流点

1、前  言

水是一切生命的源泉，是人类生活和生产活动中必不可少的物质。在人类社会的生存和发展中，需要不断地适应、利用、改造和保护水环境。遂产生了防洪、排涝、灌溉、航运和城镇供水的需要，从而开创和发展了水利事业。新中国成立之初，我国大多数江河处于无控制或控制程度很低的自然状态，水资源开发利用水平低下，农田灌排设施极度缺乏，水利工程残破不全。

然而在水利行业里往往也离不开桥梁的建设，桥梁和水利结合给人们带了便利和福利，桥梁的建设舍得河流两岸交通便利，桥梁在人类的发展史上有着非常重要的意义，而在本次模拟中我们把圆形桥墩表面设为光滑的，水的压缩性非常小，是可以忽略的，而利用圆柱的绕流模拟以及对河流流速，河流状态的研究，我们可以很有利的验算处理一些数据的合理性，更能作为河流桥墩验算的一些参考值，更能为了以后的河流动态、水文地质、河流演变等的研究提供一些有利的价值信息，也为水文研究、水文测量提供帮助。

2、建立模型

由于研究模拟的是水流在遇到圆柱形桥墩后的绕流，桥墩对水流的动态、流速的影响。我们可以把创建的二维模型简化为如下图1所示的二维模型，竖向简化为一致效果，忽略不考虑，而对于圆柱形桥墩造成的的局部水头损失忽略不计和圆柱表面视为光滑无摩擦的光滑面，正如图上所给定的一样。本文模拟的数据：取100m长的河流为研究对象，河流宽10m，圆柱形桥墩位于距离河流入口的10m处，且位于河道的正中间，圆柱形桥墩的半径为2.0m，水流从左侧流入流经圆柱后从右侧流出。

图一:圆柱体绕流模型简化图及其线尺寸（单位：cm）图2：圆柱体的绕流网格划分

建模过程：利用Gambit建立二维圆柱体的绕流模型,首先按照图上尺寸一一建立点然后在按图上尺寸建立圆心和A、B点，接着将E、F、H、G四点按次序用直线连接起来，然后通过圆心画圆。并由点生成一个面，进行布尔运算。先对线进行网格划分，再对其进行面网格的划分，划分出的面网格详细情况如图2所示。靠近圆柱附近网格划分密，远离桥墩网格划分规律且疏散，划分出的结构网格具有计算精度高，计算方便，划分简单，收敛速度快等优点，有利于快速显示分析结果。接下来利用Gambit软件初始定义边界条件，将左边的边EF定义为速度进口边界，定义出口边界，其他没有设置的Gambit默认为固体边壁条件。

在连续的边壁条件下其设为系统默认的设置边界定义，在Gambit软件中默认其为一些连续的面域，在其内部自动默认为固体边界，默认为“WALL”边界。定义完了边界条件后就通关Gambit软件将其模型输出位2Dmesh类型的文件，保存到对应的文件夹内，供后期的Fluent软件导入时使用。

3、Fluent求解的参数设置

再利用Fluent软件进行求解时，对于本模型来说属于简单模型精度不高打开时选择2d单精度求解即能解决模拟的问题，打开Fluent软件通过读取识别已将建好的mesh文件，检查单元网格划分、单元类型、以及有没有设置错误后开始设置里边的参数，确保里边的最小网格为零的情况下设置其他参数，设置网格区域为默认状态，设置计算模型为Pressure Based， 卡曼模型要求的是用稳态求解器模拟，因此在Time选择项选择Steady，其他为默认值，如图所示。由于本文模拟的是流体漩涡的问题，因此其他的计算模型设置为默认即可满足要求。      

图3：模型参数        图4：压强的参数设置       图5:边界条件的设置

由于本文模拟的是流体漩涡的问题，因此其他的计算模型设置为默认即可满足要求。由于本案例在设计时不考虑重力的要求，因此在设置操作环境是不设置重力的影响的影响，如图4所示。对于定义流体的物理性质，由于本文模拟的液体是水流，在对应的Materials中你对应的选项选择水的物理性质，即在Fluent Fluid Materials列表框中选择water_liquid的选项，然后单击“copy”按钮，即可把水的物理性质从Fluent软件的数据库里调出来。如图5所。

 

图6：监测数据的设置图  7：进口初始化的设置   图8：求解参数的设置

在设置工作流体的密度是最好选择为最轻相的密度，这样排除了水力静压力的积累影响。在设置流体材料时在Material Name中选择的下拉表框里选择Water_liquid选项，即可把流体区域内的流体定义为水，在设置边检条件时将Velocity Inlet 选项中的相框选择为Velocity Magnitude中的参数设置为0.005.其他数值设置为默认值。其他的求解方法的设置和控制本文中都设置为默认值，如图6、图7、图8所示 。   

4、模拟结果的分析研究

在设置完参数之后就是进行模型的求解，再进行求解中迭代时的步长为0.5s，再进行迭代求解时间会自动求接到收敛的情况，本文中在第115步时间收敛，计算完毕。从压力云图9和速度云图10可以明显看出在圆柱体周围水流对圆柱体的压力明显很大，且在圆柱体周围的流速方向也发生了很大的变化，对于在圆柱体周围的流速也明显比之前和之后的流速要大，而且距离圆柱体越近流速和压强都越大。在速度矢量图中可以明显的看出圆柱体附近的水流的流苏的大小和方向。在图11圆周围的流速矢量图中更能明显看出圆周围的流速的大小和方向的变化的详细情况还有一些对比关于圆柱体前和圆柱体后的一个流速大小方向的比较。更能说明水流在遇到圆柱的时刻容易发生漩涡，以及法还是能选我的大小跟

        

图9：圆柱体绕流的压力云图图       10：圆柱体绕流的速度云图

        

图10：圆柱体绕流的速度云图  图11：流速矢量图和圆柱面周围的流速矢量图

5、结语

从以上的分析和计算中可以看出水流经过圆柱的绕流中，流速和压强明显的提高，而且对于圆柱体桥墩的冲刷也比较明显，对圆柱体桥墩的影响很大，因此再设计圆柱桥墩和施工是要注意圆柱形桥墩的抗冲刷性、抗腐蚀性和表面光滑性，如果水流中有侵蚀的硫酸根离子等化学成分时还要考虑侵蚀性，如果对于圆柱桥墩的冲刷比较严重时可能影响桥的安全性和稳定性，所以值得我们对此产生一定的重视和关注。

研究水流绕流的运动状态和模拟分析具有很重要的意义，第一：很好的掌握绕流水流经过圆柱的运动状态，对了解关于圆柱的抗冲刷情况有这很大的帮助，第二：对于绕流的圆柱体的冲刷情况具有提前可以了解，能够提前做出措施减小不必要的损失。

圆柱形绕流是非常经典的流动问题，有很多实际流动问题均可由圆柱绕流问题演化而来。此算例简单分析了圆柱绕流的速度分布特征、流动分离、压力分布及侵蚀情况等。除了本文研究的问题外针对其流动特点，仍有很多值得研究的问题，如涡脱落的频率对某一定点的干扰可形成周期性的流场物理量的变化（如速度脉动、压力脉动等），升阻比，进步一分析圆柱在周期性振荡作用下，即圆
柱在水弹性力作用下的运动特征等等，此处就不一一列举，以后在其他论文中在做研究分析。

参考文献：

1、李寿英   顾明  斜、直圆柱绕流的CFD模拟【J】     空气动力学报  2005.6

2、张安平  黄丽华 平板上治直立圆柱三维绕流的CFD计算研究 【J】中国水运 2007.7

3、段梦兰  郭中云 基于CFDD的圆柱绕流流畅的特性分析【J】石油矿场机械  2015.4