第25卷第3期2014年5月
水科学进展
ADVANCESINWATEＲSCIENCE
Vol．25，No．3May，2014
新型开孔桥墩水动力特性的PIV试验
1，2
蒋昌波，王
1，3
刚，邓
1，21斌，刘易庄
（1.长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙410004；2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南长沙410004；
3.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州510230）
摘要：基于粒子图像测速技术（ParticleImageVelocimetry，PIV）对新型开孔桥墩周围的水流结构进行试验研究。通过分析开孔桥墩中轴面（y/b=0）处的立面流场和桥墩周围不同水深位置处的平面流场，探究开孔桥墩周围水流动力结构。试验结果表明，矩形开孔桥墩周围水流呈明显的三维结构特点。在桥墩上设置方孔，能有效地抑制墩前部分下降流的形成、降低墩前壅水的高度和改善墩侧水流流态，同时明显改变墩后尾流结构。方孔所在水深位置处（z/h=0.45），墩侧低速区最大相对宽度以及墩后尾流区最大相对宽度与相对孔宽比（w/b）呈二次曲线关系，且相关关系密切。近水面处（z/h=0.75），w/b=0.5条件下墩后旋涡对的相对长度为无孔时的70%；相反，近床面处（z/h=0.15）旋涡对的相对长度略有增加，但旋涡对的相对宽度一直保持在1左右。关键词：开孔桥墩；水动力学；粒子图像测速技术中图分类号：U448；TV131.2
文献标志码：A
6791（2014）03-0383-09文章编号：1001-
桥墩周围复杂的三维水流结构，对桥墩冲刷、船舶通航安全等产生深远影响。研究桥墩周围水流的动力
结构和运动规律，全面了解桥墩绕流机理，对有效避免船舶撞击桥墩事故的发生、防止桥墩周围严重的冲刷破坏、提高航道等级和通航能力等具有重要的实际意义。
对于桥墩周围水流特性的研究及相关的钝体绕流问题，一直受到国内外学者的广泛关注。如Bearman和Wadcock［1］、Chiew和Melville［2］、姚熊亮等［3］、Subhasish和Ｒajkumar［4］、毕继红等［5］和孙东坡等［6］主要是针对传统桥墩绕流或钝体绕流的理论模式及其在实际工程应用中出现的问题开展了一系列研究。前人研究主要通过数值模拟、模型试验等方法关注桥墩周围水流紊动特性、通航条件确定、桥墩周围局部冲刷以及圆柱绕流和其他封闭钝体绕流等热点问题，并取得了丰富的成果。
为有效防止桥墩局部冲刷和提高通航安全保证，近年来，在传统桥墩的基础上，新型桥墩建筑物（如在桥墩上开孔、在桥墩底部增加墩台或裙台）得到了初步应用，但目前国内外对开孔桥墩墩
［11］
［7-10］
或其他新型桥
的研究较少。Chiew
［7］
认为在圆柱桥墩上设置方孔能有效防止墩前冲刷，当方孔直径为墩宽的1/4时，
［8-9］
最大冲刷深度能减少20%。Kumar等上，Carmelo等
［10］
基于物理模型试验，分别改变方孔与来流的夹角和方孔的长度（垂
向），研究桥墩局部冲刷规律的变化特征。研究发现，当方孔延伸到床面以下时，防冲效果最好。在此基础
探究方孔在沙床中相对埋入深度对墩前冲刷的影响，当相对埋入深度为1/2时，方孔对
墩前冲刷的影响最为显著。然而，已有研究均以桥墩周围局部冲刷为主要内容，未对开孔桥墩周围水动力特性开展相关研究。虽然开孔桥墩可防止桥墩周围的局部冲刷，有利于河床稳定，但其绕流机制及墩柱孔内部水动力特性未被完全了解，值得深入研究。目前，国内针对开孔桥墩的相关研究未见报道。本文基于粒子图像测速技术（PIV）对开孔桥墩周围的水流结构特性进行试验研究，进一步丰富桥墩结构形式和钝体绕流机理，并为开孔桥墩冲刷问题提供水动力学理论依据，为今后开孔桥墩在实际工程中的应用提供一定的理论
10-28；网络出版时间：2014-04-10收稿日期：2013-网络出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20140410.0949.003.html
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51239001；51179015）
作者简介：蒋昌波（1970—），男，陕西石泉人，教授，博士，主要从事河流、海岸动力过程及其数值模拟技术研究。
E-mail：jcb36@163.commail：dengbin07@163.com通信作者：邓斌，E-
384参考。
水科学进展第25卷
1
1.1
试验布置
试验条件和模型
试验在长沙理工大学水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室的PIV变坡水槽中进行，水槽尺寸为20m×0.4m×0.5m，最大变坡范围为1%，试验在平坡条件下进行，水槽入口设有平稳水流的消能措施，见图1。试验流速测量采用美国TSI公司的粒子图像测速仪（PIV），PIV系统由激光源、CCD相机、同步控制器、图像采集和分析系统4个部分组成。其中光源为双脉冲激光器（YAG），频率为17Hz，能量范围为50～120mJ；CCD相机最小帧跨时间为1μs，捕捉范围为22.2cm×22.2cm，最大采集频率为7.25Hz。试验中采用NDV对部分典型断面流速进行测量，并与PIV测量值进行对比，测点布置见图1（b）。NDV采样频率为200Hz，PIV采集的图像样本容积为80，样本容积满足试验精度要求。试验过程中，以桥墩模型底面中心点为原点，水流方向为X轴正方向，垂直水槽侧壁向里为Y轴正方向，垂直床面向上为Z轴正方向，建立三维坐标体系，如图1（b）所示。
图1试验布置
Fig.1Arrangementofexperiment
工程应用中常见的桥墩型式有矩形墩、圆端形墩、圆形墩和尖端型墩等型式。为进一步简化研究，依据国内外学者对开孔桥墩模型的设计（见表1，表中模型均为圆柱形桥墩），本试验选取矩形开孔桥墩为研究对象，如图1（a）所示。桥墩长L为0.12m，宽b为0.05m，高H为0.225m，孔宽w为0.025m和0.0125m，孔高Hs为0.075m，孔底面距床面距离Y为0.05m和0.10m。
表1
国外部分开孔桥墩试验模型尺寸
Table1Sizeofmodelofpierwithaslotatabroad
文献
TanakaandYano［12］
Chiew［7］Carmelo，etal［10］
开孔桥墩模型部分尺寸w/b=0.33；w/b=0.67b=32mm，w/b=0.50；w/b=0.25
w/b=0.25，Hs=b；Hs=h
文献Kumar［8］Heidarpour［13］
开孔桥墩模型部分尺寸
b=112.5mm，w/b=0.25，Hs=h；Hs=h+dsp
w/b=0.25，Hs=b；Hs=2b
注：dsp为无孔条件下墩前的最大冲刷深度。
1.2试验工况
试验水深为0.20m和0.15m，方孔高度不变，以3个不同的方孔宽度为组次进行试验，同时考虑方孔
3
位置（即方孔底面距床面距离Y）的影响。试验流量Q=32.4～115.2m/h，控制断面平均流速分别
为0.15m/s、0.25m/s和0.40m/s。试验中各模型参数及水流条件见表2。试验中在水槽前端布置超声波水
第3期蒋昌波，等：新型开孔桥墩水动力特性的PIV试验
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位计和NDV分别控制试验水深和入口流速。
表2
Table2
组次123
水流条件
Q/（m3.h－1）32.4～115.232.4～115.232.4～115.2
h/m0.15/0.200.15/0.200.15/0.20
b/m0.050.050.05
w/m00.0250.0125
Hs/m00.0750.075
H/m0.2250.2250.225
试验工况
桥墩模型尺寸
Y/m—0.05/0.100.05/0.10
L/m0.120.120.12
Experimentalparametersofeachgroup
1.3
试验数据验证
为验证PIV测量数据的准确性，试验
表3部分特征测线布置说明
测线特征
描述墩前流速沿水深变化特征描述墩后流速沿水深变化特征描述桥墩中心线（含方孔）水流
沿水流方向变化特征描述墩侧流速沿水流方向变化特征描述墩侧（中心面，含方孔）水流
沿横向变化特征描述墩后水流沿横向变化特征
Table3Arrangementofcharacteristicmeasuringlines
测线序号测量位置1#x/L=－1（S2），y/b=0（S'1）2#x/L=1（S6），y/b=0（S'1）3#4#5#6#
y/b=0（S'1），z/h=0.45y/b=1.7（S'4），z/h=0.45x/L=0（S4），z/h=0.45x/L=1.5（S7），z/h=0.45
过程采用NDV对桥墩周围部分测点的流速
进行测量并与PIV测量值进行对比，测点布置和说明见表3。图2为NDV与PIV测量得到流速进行时均处理后的对比结果，从图2对比发现，NDV与PIV测量得到的流速基本一致，中心面（x/L=0）处NDV测量值略低于PIV测量值，但测量差在试验测量误差允许范围内，满足试验精度要求。
图2w/b=0.5特征测线流向时均流速对比验证（虚线内为桥墩方孔内流速）
Fig.2Comparisonofstreamwisetime-averagedvelocitiesatthecharacteristiclinemeasuredbyPIVandNDV
2
2.1
试验结果与分析
开孔桥墩周围水流形态分析
目前对传统桥墩周围水流结构的分析较为成熟。众多研究发现桥墩周围的水流呈复杂的三维特性，受桥墩的阻碍，平面水流流速在墩前迅速减小，动能转变为势能，导致墩前形成水面雍高；同时，由于垂向压力差的存在，在墩前形成下降流，下降流在床面附近与床面进行动量交换，形成从桥墩两侧向下游运动的马蹄形旋涡；另一部分水流直接从两侧绕过桥墩，因边界层分离形成尾流旋涡。桥墩开孔后，部分水流从孔内通10］过桥墩，减少了墩前下降流的发生，进而影响到床面附近马蹄形旋涡的形成，文献［概述了圆柱形开孔
桥墩的水流结构，见图1（c）。此外，贯穿桥墩的水流改变了墩后的原水流结构，水面附近尾涡结构发生明显变化。图3为CCD拍摄的开孔桥墩周围表面水流形态（俯视图），可见w/b=0（无孔）墩后水面附近出现旋涡。且随着方孔尺度的增大，孔内高速水流对原墩后的流场结构的影响越大，墩后水面旋涡的尺度及其分布
386
规律发生的变化越趋明显。
水科学进展第25卷
图3桥墩周围水面形态PVC示踪（俯视图）
Fig.3WatersurfacearoundbridgetracedbyPVC（planform）
图4（a）～图4（c）为不同流速下桥墩周围水流形态的侧视图。根据图3、图4（a）～图4（c）以及结合试验中观察到的现象可知，水流在墩前依然存在小范围的雍高，且在墩两侧形成两个对称的水流凹陷区，孔内水面呈曲面状。但随着断面平均流速的减小，桥墩周围水流流态逐渐平顺，水体的扰动作用减弱。由图4（d）～图4（f）结合图像处理技术可知，当方孔位置靠近水面时，水面附近的墩前阻流面积减小，墩前最大雍高为0.68cm，此时桥墩对水槽的束窄效应也相应减弱。随着开孔位置的下移，墩前雍高逐渐加大，Y=0.05m时，墩前最大雍高值达到1.02cm。且墩两侧水流凹陷区的最低点逐渐前移，同时结合试验过程对水面形态的观测，发现桥墩附近水面扰动加剧，局部水流结构发生显著变化。综上，随着断面平均流速的增加，开孔桥墩
［7］
周围的水体扰动加剧，且开孔位置对墩前水位雍高及墩侧水流形态产生较大影响，与Chiew的结论相符合。
图4桥墩周围水流形态（侧视图）
Fig.4Watersurfacearoundbridge（sideviews）
2.2特征断面流场时均特性分析
2.2.1开孔桥墩周围水平流场（XY平面）
图5为开孔桥墩周围不同XY平面的流场图。其中，图5（a）～图5（c）描述了相对孔宽比（w/b）为0.5时，不同水深高度的平面二维流场分布。从图5（a）～图5（c）可以看出，z/h=0.15和z/h=0.75时，在墩前一定范围内存在减速区，墩两侧水流由于桥墩对水槽的束窄作用导致速度增大，同时受桥墩的遮流作用，墩
第3期蒋昌波，等：新型开孔桥墩水动力特性的PIV试验
387
［11］
后也存在明显的尾流低速区。z/h=0.45时，水流从方孔内加速通过桥墩，把墩后水流分成两对称分布的尾流低速区，且低速区尺度明显减小。图5（d）～图5（f）为不同相对孔宽比（w/b）条件下，z/h=0.45处桥墩
周围平面二维流场变化。随着w/b的增加，过水面积增加，墩前的阻水作用减弱，墩前水流流向发生明显变化，两侧的水流流态越趋平顺，绕流速度呈小幅度减小；同时，墩两侧及尾流低速区的横向尺度相应减小。为全面了解相对孔宽比与墩侧及墩后尾流低速区尺度的关系，提取图5（d）～图5（f）中x/L=0及x/L=0.58处流速值，且对其进行最纲一处理，探究其横向分布规律。分析前定义本文中低速区分界点为流向相对流速在Y方向达到稳定值的临界点。
图5开孔桥墩周围XY平面流场
Fig.5FlowfieldaroundpieratXYplane
图6（a）描述了桥墩中心点处（x/L=0）流向相对流速的横向分布。从图6可知，墩侧流向速度在近壁区一定范围内随着（y/b）增加而明显增大，其后达到最大值而保持小幅度的振荡。随着w/b的增加，流速临界点逐渐左移，且墩侧绕流的最大值逐渐减小。w/b=0时，墩侧Vx/V最大值为1.69；w/b=0.5时，墩侧Vx/V最大值为1.46。结果表明，w/b越大，墩侧低速区最大宽度越小，墩侧最大绕流速度逐渐减小，且水流流态越趋平顺。图6（b）为墩后（x/L=0.58）处流向相对流速（Vx/V）的横向分布，流速在y/b=0的两侧近似对称分布，流速变化规律同上。根据上述分析易知，方孔有效地改变了桥墩周围的水流结构，特别是水流高速通过方孔，改变了墩后的尾流结构。为进一步量化这种变化效应，对墩侧低速区最大横向宽度（b1）和墩后尾流低速区最大横向宽度（b2）进行量化处理。结合上文对低速区分界点的定义，确定墩侧低速区最大横向宽度（b1）是指墩侧低速区分界点到墩侧壁的垂直距离的最大值，见图6（a）。墩尾低速区最大横向宽度（b2），是墩后左右两侧低速区分界点之间横向距离（b22）减去墩后开孔位置处高速水流宽度（b21）的最大值，见图6（b）。根据试验结果可得低速区横向尺度与孔宽比（w/b）的关系见图6（c）所示。观察图6（c）可以发现：①随着孔宽比（w/b）的增加，低速区横向尺度逐渐减小；②w/b=0时，墩侧及尾流低速区的相对宽度达到最大，分别为0.49和2.03，此时表示无孔情形；③w/b=1时，墩侧及尾流低速区的相对宽度均为0，此时表示无墩情形；④对试验值进行回归分析，可得拟合曲线见图6（c），曲线与试验值拟合较好，相关性系数分别为0.99和1.00，曲线的表达式如下：
墩侧低速区最大相对宽度（b1/b）：
b1/b=0.1276（w/b）
2
－0.6217（w/b）+0.4934（1）