CN108090030A - 一种圆形单桩局部流场的处理方法 - Google Patents

一种圆形单桩局部流场的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种圆形单桩局部流场的处理方法，包括建立当量尺寸圆柱体平面二维水流数学模型；将雷诺数分级；利用二维水流数学模型计算不同代表雷诺数条件下圆柱体周边的流场；计算确定不同代表雷诺数条件下当量尺寸圆柱体周边任意点绕流场系数；根据需要建立实际工程海域整体平面二维水流数学模型；利用实际二维水流数学模型，不考虑桩基工程，对研究时段内的流场进行模拟计算；提取桩基局部的水流时间过程作为来流条件，结合桩基尺寸，计算并选择代表雷诺数，查找计算的绕流场系数；计算桩基局部的流场；将计算结果代入整体数学模型，替换桩基影响范围内整体模型计算结果。可以节约计算耗时，从而满足河口海岸地区计算时段较长的要求。

Description

一种圆形单桩局部流场的处理方法
技术领域
本发明涉及一种圆形单桩局部流场的处理方法，涉及一种潮流模拟中的桩基概化处理方法，适用于海岸地区的桩基附近的二维水流模拟，属于海岸动力数值模拟领域。
背景技术
随着计算机和数值模拟技术的发展，二维水流数值模拟在海岸工程领域得到广泛应用。非结构化网格由于能够准确的拟合岛屿或不规则的岸线边界，而广受研究人员的喜好。采用非结构网格的数值计算方法，目前经常被使用的主要有有限体积法、有限单元法等。在河口海岸地区的水流数值计算中常常遇到海工建筑物的问题，其中桥墩和栈桥、高桩码头的桩基部分处理由于尺度较小，处理相对困难。对于桩基的处理，目前主要存在两种方法：一、加密网格直接模拟。利用非结构网格在桩基局部进行加密，实现刻画出桩基固壁边界，通过有限体积法或有限单元法在模型里进行模拟计算。该方法精度相对较高，其弊端是由于大部分桩基尺度一般在1m左右或更小，直接模拟的网格尺度需要在0.1m左右，远小于海岸地区正常的网格尺度，局部的加密带来了网格数量的急剧增多和时间步长的缩短，从而导致计算耗时大大增加。二、附加阻力概化方法。该方法不直接模拟桩基的边界影响，而采用桩基单元附加阻力，以反映桩基的阻力效应；并对地形进行修正，以反映桩基对过水面积的影响。这种模式不必描述桩基的外形，可以加大计算网格尺度、缩短计算时间。该方法的不足是，将桩基作为完全过水区域，会产生很大的概化误差，体现在流场形态和分流比的严重失真。
严格意义上，桩基局部的水流属于复杂的三维湍流问题，需要通过N-S方程直接模拟、三维紊流模型(k-ε、k-ω等)、大涡模拟方法、离散涡等方法在细密网格或计算点下进行局部的精细模拟，然而这些方法计算过程相对复杂、最主要的是计算量巨大，一般仅在很局部范围内进行模拟，而在河口海岸工程尺度的模型研究范围内难以满足实际应用需要。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种圆形单桩局部流场的处理方法，将局部精细化模拟结果与大范围水流数值模拟方法进行结合，采用一种概化的方法确定桩基局部流场，而其它范围内仍然采用大范围的数值计算结果，从而达到成能够适应较大范围流场计算要求又能体现桩基局部细化的水流分布的目的。同时，由于不需要在模型内对桩基局部网格加密进行直接模拟，可以节约计算耗时，从而满足河口海岸地区计算时段较长的要求。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种圆形单桩局部流场的处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：建立当量尺寸圆柱体平面二维水流数学模型，记录模型范围和网格点坐标；
步骤2：将雷诺数从小到大分级，确定每一分级的代表雷诺数；
步骤3：利用步骤1的模型计算不同代表雷诺数条件下圆柱体周边的流场；
步骤4：计算确定不同代表雷诺数条件下当量尺寸圆柱体周边流场任意点绕流场系数；
步骤5：根据需要建立工程海域整体平面二维水流数学模型；
步骤6：利用步骤5所建立数学模型，不考虑桩基工程，模拟研究海域不同时间流场过程，对研究时段内的流场进行模拟计算；
步骤7：根据步骤6计算得到的结果，提取桩基局部的水流时间过程作为来流条件；
步骤8：根据步骤7确定的来流条件，结合桩基尺寸，计算不同时间段雷诺数；
步骤9：根据步骤8计算得到的雷诺数，根据步骤2中雷诺数分级选择恰当的代表雷诺数；
步骤10：根据步骤9选择的代表雷诺数，查找步骤4计算的系数场；
步骤11：根据对应的任意点水流与来流关系式计算桩基局部的流场；
步骤12：重复步骤10，计算工程海域整体数学模型中每一步时间过程中的桩基局部流场；
步骤13：将步骤11计算结果代入整体数学模型，替换桩基影响范围内整体模型计算结果。
进一步的，步骤2中，选择河口海岸地区常规的水流雷诺数，结合流体力学绕流特性：当Re＜5时，绕流不发生分离；当5＜Re＜150，涡街层流；当150＜Re＜300，旋涡由层流向湍流转变；当300＜Re＜3×105，为亚临界区；当3×105＜Re＜3×106，为过渡区；当Re＞3×106，称为超临界区。可以根据分区特征从小到大进行分级。
进一步的，在每一段分级中，取中间值作为该分段的代表雷诺数。
进一步的，步骤4中，将步骤3计算得到的每个流速点流速值与来流流速进行比较，计算关系式如下：
其中，Cx、Cy为绕流场系数，u、v为流速分量，V0为来流流速
得到每个流速点的绕流场系数(Cx，Cy)。每个流速点坐标采用与桩基直径的相对值，如采用球坐标系，点坐标表示为(r(d)，θ)。储存计算结果。
进一步的，步骤6中，对步骤5所建立的模型给定边界条件和模型参数，利用数值方法，不考虑桩基工程，对研究时段内的流场进行模拟计算。
进一步的，数值方法为有限体积法或有限单元法。
进一步的，步骤7中，选择数学模型中实际桩基的位置处的流速过程，作为桩基绕流的来流流速。
进一步的，步骤11中，根据步骤1的模型的计算范围与当量直径的关系，在大模型里确定同样的范围，将坐标转换为以桩基中心为原点，来流速度方向为x轴，垂直方向为y轴的局部坐标系。
进一步的，步骤13中，忽略原模型中可能存在的非恒定向影响，忽略桩基局部地形变化对水流的影响，在局部模型范围与大模型结合的区域采用线性插值进行平滑过渡。
进一步的，步骤1、步骤2、步骤3、步骤4中计算得到的绕流场系数，可作为参照表格，重复使用。
本发明的有益之处在于：将局部精细化模拟结果与整体范围水流数值模拟方法进行结合，采用一种概化的方法确定桩基局部流场，其它范围内仍然采用整体范围的数值计算结果，从而达到成能够适应较大范围流场计算要求又能体现桩基局部细化的水流分布的目的。同时，由于不需要在模型内对桩基局部网格加密进行直接模拟，可以节约计算耗时，从而满足河口海岸地区计算时段较长的要求。
附图说明
图1是本发明一实施例圆形单桩局部流场的处理方法的流程图；
图2是本发明一实施例计算流程示意图示意图；
图3是本发明一实施例浅水方程模拟的圆柱体周边近似流场(Re＝1.0×107)示意图；
图4是本发明一实施例浅水方程模拟的圆柱体周边流速比分布(Re＝1.0×107)示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1圆形单桩局部流场的处理方法的流程图；
参照图2计算流程示意图；
参照图3浅水方程模拟的圆柱体周边近似流场(Re＝1.0×107)；
参照图4浅水方程模拟的圆柱体周边流速比分布(Re＝1.0×107)；
本发明一种圆形单桩局部流场的处理方法，包括如下步骤：
S1：建立当量尺寸圆柱体平面二维水流数学模型，记录模型范围和网格点坐标。
优选的，步骤S1中，根据圆柱体绕流的特性，确定圆柱体的当量直径d(可视为1)，选择合适的模型范围(x＞20d，y＞10d)、模型网格尺度(＜0.1d)，选择合适的数值方法(非结构网格有限体积法、有限元法等)，选择常规的模型参数(底部糙率、水流紊动粘性系数)，建立圆柱体绕流局部的平面二维水流数学模型。在二维模型中，对模型水深、底部糙率进行概化，选择常规的水深(5m或10m或其它)和常规的糙率(如曼宁系数0.02)，忽略这种概化对流场的影响。
优选的，步骤S1中，模型采用局部坐标系，x轴与流速方向平行，y轴与流速方向垂直，原点位于圆柱体中心。
S2：根据流体力学绕流特性对雷诺数进行分级，并确定每一级中的代表雷诺数。
优选的，步骤S2中，选择河口海岸地区常规的水流雷诺数，结合流体力学绕流特性(Re＜5时，绕流不发生分离；5＜Re＜150，涡街层流；150＜Re＜300，旋涡由层流向湍流转变；300＜Re＜3×105，为亚临界区；3×105＜Re＜3×106，为过渡区；Re＞3×106，称为超临界区)从小到大进行分级；在每一段分级中，取中间值作为该分段的代表雷诺数
S3：利用步骤S1的模型计算不同代表雷诺数条件下圆柱体周边的流场。
优选的，步骤S3中，根据每一个代表雷诺数，通过雷诺数Re表达式反算来流流速V0；
ρ为水的密度，V0为来流流速，d为桩基直径，μ为水粘滞系数。V0作为入流边界条件，出流边界条件设置成n为出流边界法线方向。采用常规数值方法(如有限体积法、有限元法)计算不同代表雷诺数条件下的流场。采用的平面二维水流数学模型，水平扩散系数采用Smagorinsky公式，近似模拟桩基局部的紊流流场。
其中A水平扩散系数，为cs为常数(一般取0.28)，l为特征长度，u、v为x，y方向流速分量流速分量。
S4：计算不同代表雷诺数条件下当量尺寸圆柱体周边流场任意点绕流场系数；
优选的，步骤S4中，将步骤3计算得到的每个流速点流速值与来流流速进行比较，计算关系式如下：
其中，Cx、Cy为绕流场系数，u、v为x，y方向流速分量，V0为来流流速
得到每个流速点的绕流场系数(Cx，Cx)。每个流速点坐标采用与桩基直径的相对值，如采用球坐标系，点坐标表示为(r(d)，θ)。储存计算结果。
S5：根据需要建立实际工程海域整体平面二维水流数学模型。
优选的，步骤S5中，数学模型中可对桩基局部进行适当加密。
S6：利用步骤S5所建立的平面二维水流数学模型，不考虑桩基工程，模拟研究海域不同时间流场过程，对研究时段内的流场进行模拟计算。
优选的，步骤S6中，对步骤S5所建立的模型给定边界条件和模型参数，利用数值方法(有限体积法、有限单元法)，不考虑桩基工程，对研究时段内的流场进行模拟计算。
S7：根据步骤S6计算得到的流场结果，提取桩基局部的水流时间过程作为来流条件。
优选的，步骤S7中，选择数学模型中实际桩基的位置处的流速过程，作为桩基绕流的来流流速。
S8：根据步骤S7确定的来流条件，结合桩基尺寸，计算不同时间段雷诺数；
S9：根据步骤S8计算得到的不同时间段雷诺数，选择对应的分级，从分级中确定代表雷诺数；
S10：根据步骤S9选择的代表雷诺数，查找步骤S4计算的绕流场系数；
S11：根据对应的任意点水流与来流关系式计算桩基局部的流场。
优选的，步骤S11中，根据步骤S1的模型的计算范围与当量直径的关系，在大模型里确定同样的范围，将坐标转换为以桩基中心为原点，来流速度方向为x轴，垂直方向为y轴的局部坐标系。
S12：重复步骤S10，计算实际工程海域整体数学模型中每一步时间过程中的桩基局部流场；
S13：将步骤S11计算结果代入整体数学模型，替换桩基影响范围内整体数学计算结果。
优选的，步骤S13中，忽略原模型中可能存在的非恒定向影响，忽略桩基局部地形变化对水流的影响。在局部模型范围与大模型结合的区域采用线性插值进行平滑过渡。
优选的，步骤S1、步骤S2、步骤S3、步骤S4中计算得到的绕流场系数，可作为参照表格，重复使用。
本发明将局部精细化模拟结果与大范围水流数值模拟方法进行结合，采用桩基局部，采用一种概化的方法确定流场，而其它范围内仍然采用大范围的数值计算结果，从而达到成能够适应较大范围流场计算要求又能体现桩基局部细化的水流分布的目的，同时，由于不需要在模型内对桩基局部网格加密进行直接模拟，可以节约计算耗时，从而满足河口海岸地区计算时段较长的要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种圆形单桩局部流场的处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：建立当量尺寸圆柱体平面二维水流数学模型，记录模型范围和网格点坐标；
步骤2：将雷诺数从小到大分级，确定每一分级的代表雷诺数；
步骤3：利用步骤1的模型计算不同代表雷诺数条件下圆柱体周边的流场；
步骤4：计算确定不同代表雷诺数条件下当量尺寸圆柱体周边流场任意点绕流场系数；
步骤5：根据需要建立工程海域整体平面二维水流数学模型；
步骤6：利用步骤5所建立数学模型，不考虑桩基工程，对研究时段内的流场进行模拟计算；
步骤7：根据步骤6计算得到的结果，提取桩基局部的水流时间过程作为来流条件；
步骤8：根据步骤7确定的来流条件，结合桩基尺寸，计算不同时间段雷诺数；
步骤9：根据步骤8计算得到的雷诺数，根据步骤二中雷诺数分级选择恰当的代表雷诺数；
步骤10：根据步骤9选择的代表雷诺数，查找步骤4计算的系数场；
步骤11：根据对应的任意点水流与来流关系式计算桩基局部的流场；
步骤12：重复步骤10，计算工程海域整体模型中每一步时间过程中的桩基局部流场；
步骤13：将步骤11计算结果代入整体数学模型，替换桩基影响范围内整体数学模型计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种圆形单桩局部流场的处理方法，其特征在于：步骤2中，选择河口海岸地区常规的水流雷诺数，结合流体力学绕流特性：当Re＜5时，绕流不发生分离；当5＜Re＜150，涡街层流；当150＜Re＜300，旋涡由层流向湍流转变；当300＜Re＜3×105，为亚临界区；当3×105＜Re＜3×106，为过渡区；当Re＞3×106，称为超临界区来从小到大进行分级。
3.根据权利要求2所述的一种圆形单桩局部流场的处理方法，其特征在于：在每一段分级中，取中间值作为该分段的代表雷诺数。
4.根据权利要求1所述的一种圆形单桩局部流场的处理方法，其特征在于：步骤4中，将步骤3计算得到的每个流速点流速值与来流流速进行比较，计算关系式如下：
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>u</mi> <msub> <mi>V</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>,</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>v</mi> <msub> <mi>V</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> </mrow>
其中，Cx、Cy为绕流场系数，u、v为绕流场流速分量，V0为来流流速；
得到每个流速点的绕流场系数(Cx，Cy)，每个流速点坐标采用与桩基直径的相对值，储存计算结果。
5.根据权利要求1所述的一种圆形单桩局部流场的处理方法，其特征在于：步骤6中，对步骤5所建立的模型给定边界条件和模型参数，利用数值方法，不考虑桩基工程，对研究时段内的流场进行模拟计算。
6.根据权利要求5所述的一种圆形单桩局部流场的处理方法，其特征在于：数值方法为有限体积法或有限单元法。
7.根据权利要求1所述的一种圆形单桩局部流场的处理方法，其特征在于：步骤7中，选择数学模型中实际桩基的位置处的流速过程，作为桩基绕流的来流流速。
8.根据权利要求1所述的一种圆形单桩局部流场的处理方法，其特征在于：步骤11中，根据步骤1的模型的计算范围与当量直径的关系，在实际工程海域整体数学模型里确定同样的范围，将坐标转换为以桩基中心为原点，来流速度方向为x轴，垂直方向为y轴的局部坐标系。
9.根据权利要求1所述的一种圆形单桩局部流场的处理方法，其特征在于：步骤13中，忽略原模型中可能存在的非恒定向影响，忽略桩基局部地形变化对水流的影响，在局部模型范围与实际工程海域整体数学模型结合的区域采用线性插值进行平滑过渡。
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