基于自持模型（SSM）的错列双圆柱桥墩局部冲刷演化特性数值模拟及其抗冲刷设计应用

针对错列双圆柱桥墩在复杂流场中局部冲刷预测精度不足的问题，研究人员基于自持模型（SSM）开展CFD数值模拟，揭示了墩间距（s/D）与错列角（θ）对冲刷形态的调控机制，提出干扰系数量化墩间相互作用，最大冲刷深度较单墩增加6.3%–63.3%，为海洋工程抗冲刷设计提供理论工具。

　　

在河流与海洋环境中，桥梁墩柱的局部冲刷是导致水力结构失效的主要原因之一。据统计，全球过去30年超过60%的桥梁倒塌事故与基础冲刷直接相关，而中国约45%的跨河桥梁缺陷源于墩周冲刷导致的基底暴露。尤其在洪水等极端水文事件中，高速水流携带大量泥沙和碎屑，加剧了对墩基的冲刷作用，可能引发桥梁倾斜甚至整体垮塌。尽管传统单墩冲刷研究已较成熟，但实际工程中广泛应用的错列双圆柱墩（如海上风电导管架基础）因复杂的流场干扰效应，其冲刷特性尚未系统阐明。现有数值模拟多忽略入口湍流自持特性（Self-Sustaining Model, SSM）的影响，导致冲刷深度和位置预测存在显著偏差。

为此，广东工业大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，基于SSM理论构建了动态床冲刷模型，首次系统研究了错列角（θ=5°–45°）与墩间距比（s/D=2–4）组合下双圆柱墩的冲刷演化规律。研究采用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）框架结合k-ε湍流模型，通过C语言开发的冲刷程序实现了三维流-固-床耦合模拟，并利用Melville（1975）水槽实验数据验证了模型可靠性。

自持特性验证
空域计算表明，SSM能使流速和湍动能（TKE）沿流向衰减率降低78.3%和79.0%，快速形成水平均匀流场。入口湍流边界条件的自持性确保了冲刷模拟的物理合理性。

冲刷演化机制
研究发现：1）错列墩间存在显著干扰效应，形成马蹄涡（horseshoe vortex）、尾涡（wake vortex）和剪切层等复杂结构，使床面剪切应力分布异于单墩；2）冲刷形态从屏蔽效应主导的非对称冲刷，逐渐转变为窄缝效应主导的间隙冲刷，最大冲刷深度位置从上下游墩右侧迁移至双墩间隙区；3）随着θ和s/D增大，最大冲刷深度呈上升趋势，较单墩增加6.3%–53.1%，较串联墩增加6.6%–63.3%。

参数化规律
提出的干扰系数定量表征了上下游墩相互作用对最大冲刷深度的影响，建立了错列双墩冲刷深度的快速预测方法。当s/D=3、θ=30°时，间隙区冲刷坑呈典型拉长形态，其几何特征受局部涡流结构直接调控。

该研究首次将SSM应用于错列双墩冲刷模拟，揭示了湍流自持特性对冲刷形态的调控机制，提出的干扰系数为复杂流场下桥墩抗冲刷设计提供了量化工具。成果对保障海上风电基础、多柱桥墩等结构的安全服役具有重要工程价值，未来可扩展至波浪-水流耦合工况下的冲刷预测研究。