*本文譯自2020年IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 第745卷

Halah Kais Jalal ¹, Waqed H. Hassan ²

¹ Graduate student, Civil Engineering Department, University of Kerbala, Kerbala, Iraq.

² Professor, University of Kerbala, Kerbala, Iraq.

1. 背景

本研究探討了橋墩周圍的局部沖刷問題，該問題常導致橋梁結構失效。局部沖刷的預測對于橋梁的設計、維護和評估至關重要。許多研究者從不同角度和條件下廣泛研究了沖刷問題。沖刷通常包括一般沖刷、漸縮沖刷和局部沖刷三種類型，其中局部沖刷是重點。過去的研究大多聚焦于使用實驗測試分析橋梁的局部沖刷，但這些方法成本高且勞動密集。近年來，隨著計算機和軟件的發展，三維模擬沖刷的方法變得更加普遍，使用計算流體動力學（CFD）軟件如FLOW-3D進行數值模擬成為一種有效手段。本研究旨在通過與實驗結果的比較，驗證FLOW-3D模型在預測橋墩周圍沖刷深度方面的準確性。

2. 數值和實驗模型

為驗證FLOW-3D數值模型在模擬橋墩周圍流動和預測局部沖刷深度的準確性，與Melville實驗的果進行比較。實驗與數值模型的條件相似，實驗模型使用一個19米長、45.6厘米寬、44厘米深的水槽，圓形橋墩直徑為5.08厘米。水槽中使用沙粒作為床材料，沙粒直徑為0.385毫米，高度12.7厘米，密度2650千克/立方米，沙子的休止角為32度。進水速度為0.25米/秒，水深為15厘米，模擬時間為30分鐘。

圖1. Melville實驗平面示意圖

數值模型中，進水口位于橋墩上游6倍橋墩直徑處，直徑為5.08厘米；出水口位于橋墩下游14倍橋墩直徑處。為防止泥沙向上運動，進水底部設置了一個固體組件，其高度為12.7厘米，并在水槽中放置了高度為12.7厘米的填充泥沙。

圖2. FLOW-3D數值模型

3. 數值方法

FLOW-3D軟件是由Flow Science, Inc.開發，采用VOF和FAVOR兩種方法來確定自由表面和障礙物的位置。FLOW-3D使用專門開發的數值技術求解液體的運動方程，以獲得多尺度流動和物理問題的三維瞬態解。FLOW-3D用于模擬橋墩周圍的沖刷過程，具有研究液體和氣體行為的強大能力，專門用于解決瞬態自由表面問題和泥沙輸移。采用非流體靜力有限差分模型求解Navier-Stokes三維方程。

控制方程

紊流模型

泥沙沖刷模型

網格劃分

圖3. 網格單元尺寸對沖刷深度的影響

圖4. 圓形橋墩周圍的網格平面結構

邊界條件

圖5. 數值模型的邊界條件

4. 沖刷深度預測結果的驗證

為了測試數值模型的有效性，該數值模型在與實體模型相似的條件下進行了模擬。圖（6）顯示數值模型在30分鐘模擬時間內最大沖刷深度的三維預測結果。

圖6. 橋墩周圍不同視角下的沖刷深度（負值）

圖（7）顯示了實體模型中圓形橋墩周圍的沖刷深度結果，而圖（8）顯示了數值模型的沖刷深度。這些結果以等高線形式表示圓形橋墩周圍沖刷深度的演變。

圖7. Melville模型中圓形橋墩周圍沖刷深度的等高線表示

圖8. 數值模型中橋墩周圍沖刷深度的等高線表示

圖（9）顯示了沖刷深度隨時間的變化，并將最終結果與實驗值進行了比較。數值模型得到的最大沖刷深度為3.6cm，而實驗模型的最大沖刷深度為4cm。模擬結果與實驗結果一致性良好，誤差率接近10%。

圖9. 圓柱形橋墩周圍的沖刷深度隨時間變化

圖（10）和（11）顯示了30分鐘模擬時間下實驗測量和數值模擬之間y=0切片上流速分布的比較。通過0.25m/s的平均流速方法對類似實驗的速度進行歸一化。在實驗和數值模擬中，可以注意到，沿橋墩表面形成的強烈向下流動在河床附近產生了相當大的速度分量，導致圓形橋墩周圍的流速剖面變形。水流在沖刷坑前緣分離，并在橋墩前重新匯合，形成馬蹄渦，這在模擬與實驗中均清晰可見。根據這些結果，使用FLOW-3D數值模型進行的沖刷模擬是準確預測橋墩沖刷深度和橋墩周圍流場的首選方法。

圖10. Melville繪制的30分鐘橋墩周圍流速等值線圖

圖11. 通過數值模擬得到的30分鐘時橋墩周圍流速分布的等值線圖

5. 結論

本研究旨在驗證該數值模擬在預測橋墩沖刷深度演化方面的有效性。通過比較FLOW-3D數值模型和Melville實驗模型沖刷30分鐘的結果，得出了驗證結論。沖刷坑最大深度的誤差率為10%，這一觀測結果表明數值和實驗之間具有良好的驗證性，因此數值模擬成功地再現了沖刷深度。根據這些結果，數值模型FLOW-3D被認為是模擬和預測橋墩周圍沖刷深度和流場的有效工具。

了解更多細節，可參考以下原文鏈接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/745/1/012150/pdf