桥墩群周围复杂涡旋形成与流速特征的数值模拟与实验分析

为解决桥墩群周围复杂流场模拟与实测数据偏差问题，研究人员采用VOF模型耦合k-ε湍流模型，通过ANSYS FLUENT软件与ADV实测对比，揭示了多桥墩干扰下的涡旋演化规律与流速分布特征，为水利工程抗冲刷设计提供理论依据。

　　

桥墩作为水利工程的核心构件，其周围流场特性直接关系到结构稳定性与使用寿命。长期以来，单桥墩水动力研究已较为成熟，但实际工程中桥墩常以群组形式存在，多墩体间的复杂干扰会导致流速场畸变、涡旋强度倍增，进而加剧局部冲刷风险。传统研究多依赖单一实验或简化模型，难以捕捉三维湍流与自由表面耦合效应，而高精度计算流体力学(CFD)模型在桥墩群场景下的验证仍存在空白。

针对这一难题，来自布拉德福德大学的研究团队创新性地将体积分数法(VOF)与k-ε湍流模型耦合，通过ANSYS FLUENT软件对三桥墩串联布置的流场进行全三维模拟，并采用四接收器声学多普勒测速仪(ADV)进行实验室验证。该研究首次系统揭示了多桥墩干扰下涡旋的纵向发展规律与垂向分层特征，相关成果发表于《Water Science and Engineering》。

关键技术包括：(1)建立1:1实验水槽与三桥墩几何模型，采用四接收器ADV在60个测点采集流速数据；(2)构建包含235万网格的CFD模型，近墩区网格细化至1mm，采用SIMPLE算法处理压力-速度耦合；(3)通过Y⁺
≈19的壁面函数捕捉边界层效应；(4)对比0.15h、0.40h、0.62h(h为水深)三个特征深度层的实验与模拟数据。

研究结果部分显示：
3.1 水平面流动特征
通过x-y平面流线可视化发现，墩间区域存在显著涡旋群，首墩尾流区形成速度达-0.25m/s的回流，模拟结果与实验偏差<20%。特别在z/h≤0.2的近底区域，数值模型成功再现了Ikani等报道的扫掠涡(Sweep vortex)主导流态。

3.2 垂直面流动特征
y=0.5d(d为墩宽)剖面的速度云图显示，首墩下游出现明显速度亏损区，次墩则因流线压缩产生加速效应。矢量场分析揭示首墩后存在强下沉流，其垂向速度分量较上升流高30%，印证了压力梯度驱动的涡旋泵吸效应。

3.3 水平面流速对比
在z/h=0.62的自由表面层，模拟与实验均捕捉到墩群侧向的二次流现象。但近水面大尺度涡旋的模拟速度偏高15%-30%，反映k-ε模型对表面湍动能(TKE)的预测局限。

3.4 流向流速剖面
距墩体2d外的区域流速预测误差<5%，但墩间狭窄区域中层(z/h=0.40)的模拟流速较实测偏低12%，这与Pu等提出的湍动能谱分布特征未充分耦合有关。

结论部分指出，该研究首次实现桥墩群干扰下三维涡旋体系的定量表征，证实k-ε-VOF耦合模型能有效预测墩群70%流场特征。虽然近水面湍流模拟存在局限，但该方法较LES等复杂模型节省90%计算资源，为工程应用提供实用工具。实践意义上，发现墩距2d时尾涡强度呈指数衰减，这为确定最小安全墩距、优化防冲刷设计提供理论支撑。未来可通过引入RNG k-ε模型改进近壁区湍流预测，推动水利基础设施的智能化防护体系建设。