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摘 要：基于欧拉流固两相流理论并考虑悬移质效应进行桥墩动床冲刷精细化分析.针对动床冲刷与清水冲刷的主要区别，采用不平衡输沙法建立床面变形方程，考虑悬移质与推移质质量交换从而间接影响床面变形.通过对计算流体力学（CFD）软件ANSYS Fluent二次开发，利用床底切应力以及底面网格泥沙浓度分别计算推移质输沙率以及悬移质与推移质的交换通量，由此得到床底网格瞬时变化值，从而实现边界网格的动态更新，以此进行桥墩周围河床动床冲刷过程的动态模拟.通过将数值计算结果与经典理论分析及部分试验结果进行对比，在悬移质分布、局部冲刷深度以及冲刷坑形态等方面充分验证所提出动床冲刷计算方法的合理性与准确性.最后通过参数分析证明了悬移质浓度会明显影响动床冲刷的深度与形态，得出了选择动床冲刷模型并采用流固两相流进行桥墩冲刷精细化分析具有显著必要性的结论.
关键词：桥墩；两相流模型；悬移质；动床冲刷；计算流体力学（CFD）
中图分类号：U442.59 文献标识码：A
文章编号：1674-2974（2016）05-0052-09
Abstract：Based on the Eulerian-Eulerian two-phase flow theory， the live-bed pier scour was carefully simulated with the consideration of suspended load. The riverbed variations were obtained using the non-equilibrium sediment transport model by calculating the mass exchange between the suspended load and traction load. By redeveloping a Computational Fluid Dynamics （CFD） software， i.e.， ANSYS Fluent， the sediment transport rates and exchange flux between the suspended load and traction load were calculated using the shear stress of sediment and sediment concentration. By doing this， the riverbed boundary can be real-timely updated according to the calculated riverbed variations to conduct the live-bed scour simulation. The accuracy and rationality of the proposed simulation was fully verified by comparing with the classic theory and several experimental results from the viewpoints of the suspended load distribution， scour depth， and scour hole profile. The significant influence of the sediment concentration on the scour performance was finally proven by a parametric study. It can be concluded that using the live-bed scour models based on the two-phase flow theory should be very necessary for an accurate simulation.
Key words：piers； two-phase flow model； suspended load； live-bed scour； computational fluid dynamics（CFD）
桥墩冲刷（包括桩基冲刷）病害是当今桥梁结构功能失效、丧失其安全性能的最主要原因之一.以美国为例，从1966～2005年，全美倒塌桥梁中（1 502座）58%的破坏桥梁与桥梁基础结构冲刷病害相关，美国交通部已将桥梁基础结构冲刷看做桥梁结构功能及安全性能失效的最常见原因之一[[1-4[].一般来说，桥墩冲刷深度预测主要基于日常检查以及主观经验判断，准确性不高.尽管针对个别特大型桥梁进行冲刷模型实验，但模型相似比难以确定，且实验中人力物力投入较高.利用相关规范中的冲刷深度计算公式可对桥墩冲刷病害进行快速预判，但其计算假设条件苛刻，参数单一，难以准确模拟冲刷三维整体形态，直接用于实际复杂环境中的桥墩冲刷计算时，其结果的准确性显然难以保证[[3].
为准确地进行桥墩冲刷精细化分析与发展趋势预测，计算流体动力学（CFD）数值方法在冲刷分析中得到越来越多的应用.韦雁机采用k-ε湍流模型并考虑推移质输运模拟了短圆柱体周围局部冲刷过程[[5[]；祝志文等对桥墩局部冲刷进行三维仿真模拟，考虑了床面坡度对临界起动切应力的综合影响[[6[]；叶桢采用两相流VOF法模拟丁坝局部冲刷形态[[7[].但这些研究均仅限于桥墩或丁坝发生清水冲刷，并未考虑冲刷过程中悬移质输运与推移质输运的耦合影响以及由此引起的局部冲刷特有性质，即没有进行动床冲刷分析.事实上，众多桥墩基础多在洪水期间发生淘空从而严重影响桥梁安全；此时由于水流流速较大，水流中悬移质浓度较高，局部冲刷显然已不属于清水冲刷范畴，而必须考虑上游来沙对桥墩冲刷以及周边流场的影响，即属于动床冲刷的范畴[[8-9].因此，对于桥墩动床冲刷的精细化分析以及探讨悬移质对动床冲刷形态的影响显得尤为重要.