波流作用下超大尺度及复杂基础结构局部冲刷机理及精细数学模型研究

Considering that the prediction accuracy for local scour of isolated foundation structure with super-scale or complex structure under multi-dynamic factors is relatively low, it is necessary to propose a predicting method with high accuracy and fine resolution for practical purpose. Research work will be performed on one hand by using wave-current basin model tests, and on the other hand by developing numerical model, at the same time new prediction formula will be proposed through theoretical analysis based on the experimental and numerical results. Through series of wave-current basin tests with different scale of foundation structure, the main goal will be focused on comparing the differences of the properties of the horseshoe vortex, wake vortex and the pressure gradient field and their effect on the scour hole developing process. The vortex field and the pressure gradient field around complex foundation structure will be investigated and will be compared with the results of single cylinder. Then the effect on the scour process will be examined. The effect of the suspended load on the scour process will also be investigated. Based on the mechanism study by using physical wave-current basin, a numerical model will be developed aiming at considering its adaptability to the fine resolution for complex structure and the simulation for large domain area. The pressure gradient field and the suspended load effect on the scour process will also be taken into consideration.

鉴于超大尺度和复杂结构孤立基础建筑物的局部冲刷预报精度不高，工程上亟需针对该情况下局部冲刷过程的高精度、精细预报方法。拟开展物理模型实验及局部冲刷数学模型的研发，并通过理论分析，结合实验资料和数值模拟结果，提出超大尺度及复杂结构冲刷深度预报公式。通过不同尺度基础结构波流水池系列实验，对比不同尺度结构周围的马蹄涡、尾涡以及底部水压力梯度场的差异，探讨其对局部冲刷坑发展过程的影响；探讨群桩墩台复杂基础结构周围的涡动场特性和底部水压力梯度场的分布特点，并与单一墩柱基础结构的相关特性进行对比，研究其对局部冲刷过程的影响；探讨悬移质对冲刷过程的影响。在波流水池物理模型机理研究的基础上，开发一种兼顾复杂孤立基础结构精细模拟和较大模拟范围需要的数学模型，对于复杂结构提出有效模型简化模拟方法，同时考虑底部水流压力梯度场效应及悬沙影响。

针对以往局部冲刷试验研究一般均在小尺度水槽中进行，造波条件受制于造波机能力和水槽尺度，实际工程中复杂结构产生的局部冲刷问题无相关预报公式，数学模型模拟局部冲刷有待完善的情况，开展本课题的研究。取得的主要成果如下：.1. 基于ISPH方法，开发了3D桩柱冲刷模型。模型的主要创新点在于提出一种浑水粒子概念，解决了从床面粒子向流体粒子转化过程中粒子的初始密度问题，并在计算泥沙起动条件时考虑了3D坡面效应，相关成果发表在Journal of Fluids and Structures, 2018, 78: 374–399（第二资助）。.2. 在原型波流动力条件下，进行大尺度桩柱原型沙的局部冲刷，从试验结果发现若用加权参数Ucw 来区分波、流主导性，转折点在0.44，而在这一点无量纲平衡时间尺度取得峰值；还导出了用一种特征时间尺度线性表达的冲刷平衡尺度公式，成果发表在Journal of Hydraulic Research, 2018, 144(9): 04018058（第一资助）。.3. 利用三维CFD模拟软件，对不同尺度圆柱周边局部冲刷进行系统模拟。研究发现，最大冲刷深度与圆柱直径的比率随圆柱直径的增大而减小，直径从0.1m增大到0.5m，冲刷深度与圆柱直径比值从1.3降到0.7；模拟最大冲刷深度与Breusers给定的预测公式所计算的最大冲刷深度较为接近。成果发表在《水道港口》上（第一资助）。.4. 采用CFD和DPM耦合数学模型方法模拟了沙波的发展过程，模拟的沙纹尺度与实测沙纹尺度差异将小于9.2%。模拟的沙纹尺度在小波阶段与实测结果吻合，在合并阶段观察到阻力突然减小以及推移质输沙率突然增加现象。论文发表在Journal of Hydraulic Research, 2018, 144(9): 04018058（第一资助）。.5. 研究了一种柔性挡沙幕新型结构，用于冲刷防护，导出了幕身受力理论公式，开发了挡沙幕与波流相互作用的数学模型，相关成果发表在Appied Ocean Research和Journal of Coastal Research上。.6.从波流水动力学角度分别研究了波浪群性特征、次重力波在浅滩上的 演化；此外还从水槽实验技术的角度开发了非线性造波的程序，相关成果发表在JGR OCean, JWPCOE等国际权威期刊。