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摘要
桥墩绕流冲刷是水流、泥沙和桥墩三者相互作用的结果,桥墩周围复杂的水沙运动关系是造成桥梁水毁的重要原因。定量分析桥墩冲刷地形特征规律及其与水流之间的相互作用关系,是深入研究桥墩绕流水沙作用机理及实际工程应用的重要突破口。本文开展2种坡降条件下、不同倾角均匀沙动床桥墩绕流冲刷试验,并沿下游方向设置4个模型倾角(0°、5°、10°、15°)。使用粒子图像测速系统(particle image velocimetry,PIV)测量桥墩绕流2维流场,并基于运动摄像恢复结构技术(structure from motion,SFM)实现冲刷地形3维重构,在此基础上分析床面冲刷3维地形结构和绕流流场特征,以构建紊流结构与冲刷地形相互耦合作用关系。结果表明:1)SFM方法可实现冲刷地形3维结构重构,冲刷试验平衡时,模型前方和两侧冲刷坑较深,后方冲刷坑出现凸起,沿水流方向倾斜顺延上升至床面。2)冲刷坑尺寸、面积和体积均随水流强度增大而增大,随倾角增大而减小;不同截面处冲刷坑面积、体积随坑深呈开口向上抛物线趋势增大。3)桥墩模型对后方流向流速扰动范围随倾角增大而减小,对展向流速影响范围随倾角增大而增大。4)随模型倾角增加,旋转强度与剪切应力影响范围均减小;剪切应力下切较易形成桥墩周围较深冲刷坑,而位于桥墩两侧大尺度流向涡向下游延伸,将促使桥墩后侧方浅长凹槽形成。
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