基於三維同步測量的墩柱周圍水沙作用機理研究

《基於三維同步測量的墩柱周圍水沙作用機理研究》是依託北京交通大學，由陳啟剛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於三維同步測量的墩柱周圍水沙作用機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳啟剛
• 依託單位：北京交通大學

項目摘要

墩柱周圍的局部沖刷是三維、非穩態水流結構與泥沙相互作用的結果，是引起橋樑等涉水建築坍塌的重要原因。由於常規的測量方法難以同時對水流和泥沙開展三維瞬態測量，目前關於墩柱周圍水流對泥沙輸運機理的理解還不夠深入，不利於構建預測性能良好的局部沖刷計算公式和數學模型。本項目通過研發體視粒子圖像測速（SPIV）技術，提出水沙同步測量方法，實現對水流和泥沙運動的三維、同步觀測。在此基礎上，開展相同水流和地形條件下的清水及輸沙圓柱繞流實驗，分別測得墩柱周圍的三維流場和水沙同步運動場。通過建立水流結構與泥沙運動以及床面剪下力之間的相關關係，識別出在墩柱周圍局部沖刷過程中起主導作用的水流結構，得到表征該水流結構沖刷能力的的特徵參數；建立床面剪下力與水流結構之間的動力關係，分析床面剪下力對墩柱周圍水流輸沙能力的表征程度。研究成果可為完善局部沖刷計算公式和數學模型提供理論和試驗依據，具有重要科學意義和實用價值。

結題摘要

橋樑局部沖刷是水流、床沙、結構物三者相互作用的結果，是引起橋樑損毀事故的主要原因，準確預測橋樑在洪水作用下的沖刷特徵，依賴於對墩柱周圍複雜水沙作用機理的深入認識。本項目以圓柱繞流及其導致的河床局部沖刷現象為研究對象，依次完成了高頻體視粒子圖像測速（SPIV）系統研發、水沙三維同步測量方法研究，開展了平整床面及局部沖刷條件下的圓柱繞流模型實驗和圓柱上游水流結構與泥沙運動作用機理分析。項目取得的主要進展和成果包括：對SPIV技術進行了較為全面的總結和評價；通過硬體設計、製造、集成和軟體開發，研發成功了一套具有自主智慧財產權的高頻SPIV系統；深入分析了粒子圖像時間間隔對SPIV技術測量精度的影響，提出了開展SPIV測量時應當遵循的基本準則；基於粒子圖像分割、雙目視覺三維重構和三維粒子示蹤測速技術，實現了水流流場與泥沙顆粒運動的三維同步測量；發現圓柱上游馬蹄渦繫結構在動態變化過程中主要表現為零流、回流和過渡三種模態特徵；進一步完善了對馬蹄渦系統在來流大尺度相干結構作用下沿流向大幅度振盪的機理認識，從統計上揭示了馬蹄渦的垂向位置、尺寸及強度等主要特徵隨著流向振盪而發生趨勢性演化的規律；獲得了圓柱上游馬蹄渦結構和下降流與床面剪下應力之間的相關函式，發現兩種水流結構對起始沖刷階段的墩前床沙具有同等重要的動力作用。項目的技術研發成果在水動力學實驗量測領域具有推廣套用價值，理論研究成果有助於深入理解圓柱繞流這一普遍而又複雜的流動現象，可為構建更加合理的墩柱周圍水沙動力作用模型提供理論支撐。