Page 50 - 2024年第55卷第6期

实现。按流动控制方式分为被动控制与主动控制 ［１０ － １１］ 。其中主动控制技术常用的有向边界层吸气吹气
和合成射流等 ［１２ － １３］ ，该方法需要增加另外的辅助设备或是向旋涡分离区输入额外的能量，从而增加了
工程费用。而被动控制技术不需要从外部增加辅助能量，只需要调节优化墩台表面的几何型面就可以
实现 ［１４ － １５］ ，如在墩台表面应用固体涡旋发生器、或在旋涡分离点上游表面开缝、墩台表面加工一系列
横向或纵向沟槽、在墩台表面布置粗糙单元等方法来减少或抑制流动分离。这种技术改变了墩台水流
运动的边界条件，改进了墩台绕流分离的流速梯度和压强梯度，延迟、抑制和阻止了墩后旋涡的分
离，从而在一定程度上达到控制边界层和尾流分离流动，改善墩后尾流特性的目的。本文即通过圆端
形墩台开缝流动控制方法改善墩后尾流旋涡特性。
开缝作为一种钝体旋涡分离流控制的手段，一直广泛应用于工业流体、飞行器空气动力学、流体
机械叶片开缝等领域。在以往研究中，国内外学者广泛采用 ＰＩＶ实验方法和三维数值模拟方法对圆柱
或方柱的 绕 流 尾 流 特 性 进 行 研 究 ［１６ － １９］ ，但 针 对 圆 端 形 柱 体 开 缝 绕 流 尾 流 特 性 的 研 究 不 多。蒋 昌
波 ［２０ － ２１］ 等采用粒子图像测试技术（ＰＩＶ）对矩形开孔桥墩墩后的水流结构进行了分析，认为方形桥墩开
孔能够改变开孔位置所在水深处的尾流特性，贯穿方孔的高速水流与墩侧绕流以及墩后低速区水流形
成强烈的剪切作用，抑制了大尺度旋涡的发展与运动，并且切断了墩后底部水流的上升运动轨迹，墩
后瞬时流场存在周期性的运动规律，具有高度间歇特性。乔春林等 ［２２］ 、牟献友等 ［２３］ 对圆柱形桥墩引
入环翼型防冲板和开缝组合的新型防护措施，以冲坑三维特征、桥墩周围时均流速、紊动强度和紊动
动能作为试验指标，定量分析开缝防护与组合防护对圆柱形桥墩冲刷的影响。综上，目前对墩台开缝
的研究主要是利用实验室物理模型实验的方法研究其尾迹特征，利用三维数值模拟开展圆端形墩台开
缝尾迹特征的研究不多，也不够深入。
本文在国内外圆端形墩台尾流三维水动力特性研究的基础上，对绕流圆端形墩台运动进行三维数
学建模，基于网格收敛无关性验证，对比实验室模型实验数据，验证了三维数学模型，应用三维数值
模型开展圆端形墩台开缝旋涡分离流和旋涡控制的研究。以时均速度分布，紊流动能以及紊流强度等
指标分析揭示圆端 形墩台 开缝 对绕 流尾迹 的控制 效果，为 水 工 建 筑 物 墩 台 的 优 化 设 计 和 管 理 提 供
支持。

２ 数值模型及方法

２．１ 三维墩台数学模型建立 对圆端形墩台不同高度的方孔开缝，通过求解不可压缩流体的 Ｎａｖｉｅｒ －
Ｓｔｏｋｅｓ 方程，对开缝圆端形墩台的三维流场进行数值模拟。模型以方森松 ［２４］ 试验的墩台尺寸为对象，
原试验墩台形状为圆端形，模拟水深 ｈ为 ０．２ｍ。模型墩台长 Ｌ为 ０．２５ｍ，宽 ｂ为 ０．１ｍ，高 Ｈ为 ０．２ｍ，
墩台开缝宽 Ｗ为 ０．０２５ｍ，开缝高 ０．０５ｍ，即开缝高占总桥墩的 １?４，开缝宽度占墩台宽度的 １?４，选
取三种开缝墩台，开缝顶面距离水面高度分别为 ０．０２、０．０４和 ０．０６ｍ，开缝底面距离底部的高度分别
为 ０．１３、０．１１、０．０９ｍ，如图 １和图 ２所示。模型范围进口处距离圆端形墩台前缘 １０Ｄ处（Ｄ为墩台圆
端的直径，长 ０．１ｍ），出口处距离圆端形墩台后缘 ２０Ｄ，两侧距离墩台侧面 ７．５Ｄ。
数值模拟选用与实验相同的边界条件和初始条件，即设定两个典型流速 ０．１５ｍ?ｓ（Ｒｅ ＝ ２２２９０ ）和
０．３５ｍ?ｓ（Ｒｅ ＝ ５２０１０），三种开缝方案（墩台开缝顶部距离水面高度 ０．０２、０．０４和 ０．０６ｍ，分别命名为
开缝工况 １、２、３），加之无开缝墩台，进行共 ４种墩台方案的组合。选取其中流速为 ０．３５ｍ?ｓ条件下
的 ４种墩台进行分析。
２．２ 计算域和边界条件 模型计算域如图 ２所示。通过 ＩＣＥＭ软件建立模型和划分网格，采用结构化
网格提高计算效率，并在墩台周围进行加密处理以提高局部计算精度，模型网格数量为 １０４万。进口
设置为速度入口 Ｖ，出口设置为自由出流 Ｏ，两侧及上边界条件设置为对称边界 Ｓ，底部设置为无滑移
壁面 Ｗ。

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