单向流作用下直立圆柱局部冲刷及其防护的实验研究

论文摘要

近海工程中,直立圆柱结构的局部冲刷是引起结构破坏的重要因素。因此,为深入研究直立圆柱局部冲刷的破坏机理和特性,本文采用物理模型实验的方法,针对以下两个问题开展了相关研究工作。第一部分研究了单向流作用下单立柱的局部冲刷。实验过程中使用Contact Image Sensor（CIS）传感器监测冲坑深度随时间的变化,采用3D地形扫描仪测量模型附近受冲刷的沙床,得到地形数据。实验完成后处理CIS数据,得到冲坑深度时间历程线,并分析其时间尺度T和冲刷平衡深度S0。结合模型周围冲坑和下游沙丘的地形特点,研究雷诺数Re对冲坑尺寸、沙丘高度和位置的影响作用。最后,通过对比来分析无量纲化的冲刷平衡深度S0/D、冲坑半径L0/D与Re的依赖关系,其中,D为圆柱直径。研究表明,在相同流速条件下,随着Re的增大,时间尺度和冲刷平衡深度逐渐增大,冲坑尺寸变大,沙丘位置逐渐靠向下游,沙丘高度也呈增大的趋势。此外,S0/D和L0/D与Re的变化关系符合幂函数关系。第二部分研究了单向流作用下单立柱的冲刷防护。实验采用在立柱周围设置扩大基础的方法达到冲刷防护效果,其原理是:利用扩展基础的上表面削弱圆柱前方的马蹄涡和圆柱两侧流线收缩效应对沙床的淘刷作用,减小局部冲坑的深度和半径,增加直立圆柱基础稳定性。当冲刷达到平衡后,分析3D地形扫描仪采集的地形数据,通过比较增加扩展基础时立柱周围的冲坑深度、冲坑半径、沙丘高度和位置等物理量相对于单个圆柱冲刷时的变化,来分析冲刷防护的作用效果。试验中分别研究了清水冲刷和动床冲刷条件下扩大基础的直径对冲刷防护效果的影响,并提出冲刷防护建议。研究表明,随着扩展基础直径的增大,其对直立圆柱局部冲刷的削弱效果较为明显,当Dl/D≥3.0时,扩展基础能完全抑制马蹄涡的发展使得模型上游附近不产生冲坑,其中Dl为扩展基础直径。文章最后对全文的主要研究成果做出了总结,并为后续的研究工作提供一些可行的建议。

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 流场结构与冲刷机理

1.2.2 局部冲刷的影响因素

1.2.3 冲刷平衡深度和时间尺度的预测

1.2.4 冲刷防护

1.2.5 主要存在问题

1.3 本文研究内容

2 实验设置与方法

2.1 实验装置

2.1.1 O-Tube水槽

2.1.2 实验仪器

2.2 实验模型

2.3 流速率定

2.4 实验参数设置

2.4.1 模型砂的物理参数与布置

2.4.2 水槽断面流速设置

2.5 实验方案与工况设置

2.5.1 局部冲刷实验

2.5.2 冲刷防护实验

2.6 本章小结

3 单向流直立圆柱局部冲刷

3.1 冲刷发展过程

3.1.1 时间历程线的拟合

3.1.2 特性分析

3.2 冲刷地形

3.2.1 冲坑与沙丘特点

3.2.2 地形特点与雷诺数Re的关系

0和L₀ 与雷诺数Re的关系'> 3.3 S₀和L₀与雷诺数Re的关系

3.3.1 预测值的可靠性

3.3.2 平衡冲刷深度

3.3.3 冲坑半径

3.4 本章小结

4 扩展基础的冲刷防护

4.1 冲刷地形

4.1.1 地形特性分析

4.1.2 冲刷防护建议

4.2 本章小结

5 结论与展望

5.1 本文研究内容

5.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈振宏

导师: 程亮

关键词: 单向流,直立圆柱,扩展基础,局部冲刷,冲刷防护

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 大连理工大学

分类号: TV139.2

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.003175

总页数: 72

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单向流作用下直立圆柱局部冲刷及其防护的实验研究

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