在实验室和河流环境中，对孤立码头下游湍流尾流进行缩比研究

《Results in Engineering》：Scaling Turbulent Wake Flow Downstream of Isolated Piers in Laboratory and River

桥墩绕流湍流缩放研究通过实验室模型与Po河原型对比实验，提出垂直至水平比例参数（svh）作为关键无量纲数，验证了达芬奇手稿中关于涡旋结构的描述与流体力学理论的一致性，并推测其视觉时间分辨率达100Hz。

　　在水利工程中，桥墩周围的水流是一个典型的流体-结构相互作用案例，它展示了多种共存的流体力学现象，如流场截面收缩、涡旋喷射、马蹄形涡旋的生成以及可能的河床侵蚀。了解流体与桥墩之间的相互作用，以及由此产生的湍流尾流的作用，对于设计稳定桥梁和河床结构至关重要。在实验室中进行的物理建模和数值建模是研究桥墩周围水流的重要工具。然而，从实验室的缩尺模型结果转移到实际桥墩时，必须遵循相似性准则，这些准则通常由适当的无量纲参数，如雷诺数和弗劳德数来定义。

本研究探讨了基于水流高度下降与障碍物迎流宽度比值的缩尺模型尾流湍流的相似性。通过在水力学实验室中对不同几何形状的桥墩模型进行湍流测量，并在意大利波河中对实际桥墩进行现场观测，研究提供了关于这些湍流现象的深入见解。研究还尝试将这些相似性准则应用于达芬奇的画作，以获取其作品中关于湍流的定量信息。研究结果不仅为桥墩设计提供了新的视角，也为理解历史上的流体力学研究提供了科学依据。

研究中指出，尽管存在解析解，例如纳维-斯托克斯方程的解，但在许多情况下，特别是环境流，由于雷诺数较高和几何结构复杂，这些解析解往往难以应用。例如，在处理河流流时，雷诺数通常在10^6至10^9之间，湍流涡旋对惯性力的贡献显著，因此需要更高的时间分辨率来描述水速的振荡。这导致了简化的数学建模，需要经过充分的校准过程，使用实验数据集进行验证。

为了更好地理解桥墩周围的流体力学现象，实验室中的实验在受控条件下进行，对于研究流体与桥墩之间的相互作用至关重要。然而，将这些实验结果与实际桥墩的尺寸进行比较时，必须考虑相似性问题。这种问题的出现源于无法同时再现所有无量纲参数，这导致了物理建模中的尺度效应，即不同尺度下实验结果可能产生偏差。

研究提出了一个新的相似性准则，即水流高度下降与桥墩宽度的比值，这一参数被定义为垂直与水平缩放参数。这一参数能够很好地反映桥墩周围边界层分离的三维特征，如马蹄形涡旋。通过比较实际桥墩与实验室缩尺模型的实验结果，研究发现这一参数在描述湍流特性时具有重要意义。

在实验室实验中，使用超声波速度剖面仪（UVP）进行速度测量，具有高空间和时间分辨率。UVP技术基于声波多普勒效应，能够测量流体速度的瞬时剖面。实验中使用了五种不同位置的UVP探头，分别用于测量桥墩底部、桥墩本身以及不同距离的尾流区域。这些探头的布置和测量结果帮助研究人员了解了流体在桥墩周围的流动特性，包括速度分布和湍流结构。

在实际桥墩的现场测量中，使用了声学多普勒流速剖面仪（ADCP），它能够测量东、北和上参考系中的流速剖面。ADCP技术相比UVP具有较低的测量频率，但其同步特性使得可以测量三个方向的速度。现场测量显示，桥墩下游的水流高度下降约为5.7米，对应的雷诺数和弗劳德数分别为5.7×10^6和0.13，而实验室中测量的这些无量纲参数则低一个数量级。这种差异表明，实际桥墩和实验室模型在描述湍流特性时需要不同的方法。

研究还比较了实验室和现场测量的功率谱密度（PSD），发现两者在频率分布上有显著差异。实验室测量的PSD峰值出现在3到5赫兹之间，而现场测量的峰值则出现在0.2赫兹附近。这些峰值与主要涡旋的振荡频率有关，可能与斯特劳哈尔数相关。此外，实验室和现场测量的PSD都表现出-5/3的幂律衰减，这反映了湍流能量在惯性子区间的级联现象。

时间相关性分析进一步揭示了湍流结构的特性。对于所有测试配置，时间相关性在时间滞后范围内表现出明显的衰减，这表明湍流结构的相干性随着滞后时间的增加而降低。不同探头位置的测量结果显示出湍流结构的各向异性，即在垂直方向和流动方向上的不同表现。例如，底部UVP探头对垂直方向的湍流结构更为敏感，而面向流动的UVP探头则对水平方向的结构更为敏感。

研究还探讨了桥墩几何形状对湍流行为的影响。矩形、半圆形和三角形桥墩在不同流速条件下表现出不同的湍流特性。例如，矩形桥墩在较高流速下表现出更明显的水位下降，这与边界层分离有关。而三角形桥墩则显示出更平滑的边界层分离，导致更长的尾流结构。这些发现表明，桥墩的几何形状在影响湍流行为方面起着重要作用。

此外，研究还涉及了达芬奇的画作。达芬奇在1510年左右的画作中描绘了桥墩周围的湍流现象，包括涡旋和轨迹。通过图像处理技术，研究人员分析了这些画作，估计了水流高度下降与桥墩宽度的比值。这一比值与实验室和现场测量结果相似，表明达芬奇可能在观察和记录湍流结构时使用了高分辨率的视觉技术。

研究最后指出，为了准确再现桥墩周围湍流的特性，需要同时考虑多个无量纲参数。其中，垂直与水平缩放参数（Svh）在描述湍流的尺度效应方面具有重要意义。通过实验和理论分析，研究人员发现这一参数能够很好地反映湍流功率谱密度与水平湍流粘度之间的关系。因此，在实验室中进行桥墩研究时，应结合雷诺数和弗劳德数的相似性，以确保实验结果能够准确应用于实际桥墩设计。

综上所述，本研究通过实验室和现场测量，揭示了桥墩周围湍流的特性及其相似性准则。这些发现不仅为水利工程中的桥墩设计提供了科学依据，还为理解历史上的流体力学研究提供了新的视角。通过分析达芬奇的画作，研究人员推测其可能具备高分辨率的视觉能力，能够捕捉到湍流结构的细节。这些结果强调了在工程实践中考虑无量纲参数的重要性，以及在研究历史文献时结合现代科学方法的价值。