基于阻力等效的淹没桩群弗劳德相似物理模型实用表征方法

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：A practical drag-equivalent representation method for submerged pile groups in Froude-similar physical models

　　

几何缩尺桩群在弗劳德相似（Froude similarity）条件下可能表现出显著的模型与原型阻力不相似性（drag dissimilarity）。本文提出一种实用的阻力等效表征方法（drag-equivalent representation method），用于淹没桩群（submerged pile groups）。该方法为在大面积物理模型中减小桩群诱发的阻力畸变提供了实用基础。

一、研究背景与问题

在河流与海洋工程中，桩（pile）是桥梁、码头等结构的基础构件。桩的布设会改变水流形态与泥沙运动，进而对桩自身产生反馈影响。桩与周围水流的相互作用可引发三类显著物理现象：其一，桩的阻水效应导致局部水位抬升，威胁防洪安全；其二，水动力条件变化可引发泥沙冲刷，可能导致桩结构失稳与破坏；其三，卡门涡街（Karman vortex shedding）诱发的结构振动可能导致桩结构疲劳失效。桩群周围流动特性研究长期面临理论复杂性与数值模拟困难。以中国沿海密集桩基风电场为例，单桩相对模拟域尺寸极小，高分辨率网格布置困难；桩的数量与排列进一步增加了精确模拟的难度；大量桩周围的湍流模拟涉及涡脱落与尾流干涉等复杂相互作用，对湍流模型要求极高。

桩的阻力特性是理解单桩与桩群绕流的基础，受水深、流速、雷诺数（Reynolds number, Re）、桩几何与排列等因素控制。自20世纪50年代以来，单桩或简单桩排实验研究是主要研究手段，但受实验设施能力限制明显。循环水槽通常因流速较低而运行于Re < 10⁵，风洞虽可达Re高达10⁷，但容纳复杂桩排布置所需的大型风洞建设与运行成本高昂。即便采用实验方法，不同研究者的结果仍存在差异，例如Achenbach（1968）与Hoerner（1958）给出的单圆柱阻力系数曲线在Re低于10⁵时存在细微差异，在10⁵至10⁷区间则差异显著。这些差异源于实验条件不同，也源于流速快速增加时桩压缩变形、表面粗糙度及斜向来流等因素的复杂化。

更重要的是，阻力系数随Re变化导致广泛使用的水动力模型实验中桩群存在阻力不相似性。Ball等人（1974, 1980）最早在默西河河口桥墩研究中发现该问题：模型与原型桩间实现阻力相似需匹配阻力系数，但两者Re不同。例如Re = 10⁵时圆形桥墩阻力系数为1.2，而1/400缩尺模型中Re = 10⁵/400^1.5 = 12.5，其阻力系数为2.5。因此按几何缩尺缩小后实验缺乏阻力相似性。此外，桩过度缩小还带来制作困难，如0.5 m直径桩在1:500比例下仅1 mm，难以实现合适模型表征。

以往研究仅部分解决该问题：Ball（1974）提出无法维持Re相似时桥墩模拟的基于阻力方程的相似参数；Ball与Hall（1980）量化了斜置桩群低Re阻力特性；Ball等人（1996）通过增强局部粗糙度在深度积分浅水模型中表征桩群阻力；Zhao与Chen（1996）研究桩群阻力特性及其在模型码头桩群计算中的应用；Yang等人（2019）通过等效粗糙度参数表征桥墩附加水流阻力。然而，尚缺乏统一程序同时联系原型到模型阻力等效与Re、桩间距、桩排列、桩位置及来流方向的影响。因此，需要一种实用的阻力等效表征方法，在考虑水动力相似性与制作约束的同时确定原型桩群在物理模型中的表征方式。

二、研究内容与结论

研究人员开发了弗劳德相似物理模型中淹没桩群的阻力等效表征框架。该框架基于桩群总阻力与累积单桩阻力建立阻力等效准则，引入经验系数考虑遮蔽（shielding）、干涉（interference）与来流方向效应。研究人员在代表性Re条件下开展数值分析以确定所需系数，并通过两个代表性应用展示该框架：理想化桩码头布置与大面积潮流物理模型，为区域流系统中桩支撑结构的表征提供了实用基础。

三、主要关键技术方法

研究人员采用的主要方法包括：基于桩群总阻力与累积单桩阻力建立阻力等效准则；引入经验系数以考虑遮蔽、干涉与来流方向效应；在代表性Re条件下开展数值分析以确定所需经验系数；通过理想化桩码头布置与大面积潮流物理模型两个应用案例验证框架的实用性。文中未注明样本队列来源。

四、研究结果

摘要要点显示，几何缩尺桩群在弗劳德相似条件下可表现出显著模型与原型阻力不相似性；所提出的阻力等效表征方法为淹没桩群提供了实用表征途径；该方法为在大面积物理模型中减小桩群诱发的阻力畸变提供了实用基础。

五、讨论与结论

讨论部分指出，以往方法仅部分解决桩群阻力表征问题，缺乏统一程序同时联系原型到模型阻力等效与Re、桩间距、桩排列、桩位置及来流方向的影响。本文所提框架填补了这一空白。结论为：研究人员建立了基于桩群总阻力与累积单桩阻力的阻力等效准则，引入经验系数考虑遮蔽、干涉与来流方向效应，并通过数值分析确定所需系数，最终通过理想化桩码头与大面积潮流物理模型两个应用展示了该框架的实用性，为区域流系统中桩支撑结构的物理模型表征提供了实践基础。