群桩低雷诺数绕流水动力特性数值模拟研究

摘要

桩基码头下群桩的绕流水动力相比于单桩结构更为复杂，对港口水动力与泥沙输运具有重大影响。为探究其内在相互作用机制，基于CFD方法建立OpenFOAM层流模型，定量研究多列三圆柱结构阻力系数和斯特劳哈尔数随圆柱间距比L/D=1.5～8.0的变化规律，并根据群桩涡旋、流线、流场的模拟数据分析其变化的内在机制。研究结果表明：群桩结构相互作用复杂，其受力和涡脱频率更高；上中游圆柱在L/D=3.5～4.0间存在唯一临界值，临界值前阻力系数和斯特劳哈尔数变化显著，临界值后群桩处于稳定状态各圆柱水动力系数基本不变；下游圆柱存在2个临界值，分别在间距比L/D=3.5～4.0和间距比L/D=7.0～7.5之间，第二临界值前变化规律同上中游圆柱，第二临界值后圆柱阻力系数逐渐增加到中游圆柱阻力系数附近，并且其斯特劳哈尔数减小；同时，发现群桩在临界值L/D>3.5后，存在最大阻力系数近似满足C_Dmax/C_D单∝（L/D）(n^1.1)三阶多项式关系，最大斯特劳哈尔数近似满足S_tmax/S_t单∝（L/D）(n^1.1)对数关系（其中n为群桩列数）。再根据涡旋及流场的数据分析，到达临界值时尾涡逐渐充分发展并产生明显的涡脱落现象冲击依附于其他圆柱，造成了水动力数值的突然变化。通过群桩绕流水动力特性分析研究，为桩基码头工程应用和码头下方泥沙冲淤计算提供一定的指导。

关键词

群桩 / 阻力系数 / 涡脱频率 / 流线 / 涡旋

基金资助

国家重点研发计划项目(No.2021YFB2601100)