圆柱桩群绕流特性试验研究

邓 绍 云

(1.伊犁师范学院，新疆 伊宁835000;2.河海大学，江苏南京210098)

圆柱因绕流的阻力较小，从而广泛应用于水利工程。不同排列的圆柱桩群对水流的影响有差异，这种差异极难以数值模拟，而物理模拟试验研究行之有效，故笔者特进行了大量组次的水槽物理模拟试验研究。研究进行于南科院河港所长江口大厅宽5 m，长30 m的宽长水槽中，桩群置于水槽中央区域，并依据有关文献［1-10］充分考虑水槽边壁影响，实验设备如文献［6］所详述，这里因篇幅限制略去。

1 流态对比测试

研究目的是探讨桩柱的排列方式和迎流角及水流流速不同对桩群绕流流态影响的差异。文中，水深用H表示;桩径用D表示;桩数用N表示;桩群桩柱列数用m表示;排架数用n表示;桩群横向阻水率(横排桩柱阻水面积和/桩群宽度)用DH表示;纵向桩柱密度(每列桩柱桩径和/桩群长度)用DV表示;流速用V表示;桩群迎流角用θ表示;横向桩心距用SH表示;纵向桩心距用SZ表示;桩群宽用B表示;桩群长用L表示。

1.1 测试对象

被测圆柱桩群外包络线长0.33 m、宽0.11 m，矩形排列，其各自特征如表1。

表1 被测桩群特征描述Tab.1 Characteristics description of tested pile clusters

(续表1)

1.2 试验组次

在不同被测桩群、流速和桩群迎流角组合下，组合次数很多(表2)，测试组次的选择都是根据水槽实际情况和便于比较而设定。

表2 桩群绕流流态比较测试组次Tab.2 Flow regime comparison for testing times

试验组次很多，其绕流实况不能一一列举，选取图片如图1。

图1 桩群绕流实况对比Fig.1 Comparison of the scene of water flowing around pile clusters

1.3 结果分析

据文献［1-3］，马蹄形旋涡和后方尾流旋涡的数目和尺寸在一定程度上反映水流的紊动程度，漩涡数目越多、尺寸越大，水流紊动越急。所以观测马蹄形旋涡和后方尾流旋涡的数目和尺寸具有实际意义。

通过测试结果定性分析，得出结论:水流流速对桩群绕流有很大影响，流速越大。也就是雷诺数越大，桩群绕流两侧流向下游的马蹄形旋涡和后方尾流旋涡尺寸越大、越明显，绕流紊动越剧烈，影响区域更宽更长;桩柱密度越大则绕流越明显，越接近单桩柱绕流特性，马蹄形涡旋和尾流旋涡尺寸越大、越明显;当组成桩群的桩柱很稀疏时，桩群绕流很不明显，马蹄涡旋和尾流旋涡尺寸很小、很微弱。对桩群绕流特性的影响程度，桩群横向桩柱密度大于纵向桩柱密度;迎流角对桩群绕流特性影响很大，微小的一个迎流角，将导致桩群后方尾流区域变得较桩群迎流角为0布置情况宽得多，而且，迎流角对绕流特性的影响，桩柱密度大的桩群，其影响程度甚于桩柱密度小的桩群。

2 排列方式等对绕流的影响

圆柱桩群绕流流态非常复杂，绕流各柱的流线穿越于各柱间，各柱的分离线可能不一，分离角也不同，所以圆柱桩群绕流不便用分离线和分离角来描述。但从圆柱桩群绕流现象可以看到，在圆柱桩群的左右两侧各有一条流线将里面复杂的绕流流线包络着，为便于分析就定义该流线为圆柱桩群绕流包络线，将这左右流线分别与自侧桩群前后排圆柱中心线的交点的连线的夹角为圆柱桩群绕流包络线张角用Φ表示。圆柱桩群绕流包络线和其张角对把握圆柱桩群绕流现象有一定的实际意义，可通过圆柱桩群绕流测定。

圆柱桩群绕流除水流条件对它有影响外，其本身特性也有影响，如圆柱截面尺寸、各柱排列方式和迎流角。

2.1 被测桩群

被测圆柱桩群为6种，其编号及特征见表3。

表3 被测桩群特征描述Tab.3 Characteristics description of tested pile clusters

2.2 测试组次

为了有效对比同种桩群对不同流速情况、不同桩群对同种流场的影响程度的差别与联系，特设定如表4的测试组次。

表4 桩群绕流包络线张角测试组次描述Tab.4 Flare angle of envelope curve of flowing around pile cluster for testing times

2.3 测试结果

通过每组的若干次试验，将所得数次试验数据加以平均，得出测试结果如表5。

表5 桩群绕流包络线张角测试比较Tab.5 Comparison of envelope curve flare angle for testing times of flowing around pile cluster

2.4 结果分析

2.4.1 水流流速V对桩群绕流包络线的影响

比较测试对象为6#桩群，分别置于低、中、高3个流速级均匀水流中，其他条件相同，与水流流向正交布置，其测试结果见表6。

表6 流速对桩群绕流包络线张角影响比较Tab.6 Influence comparison of flow velocity on envelope curve flare angle around pile cluster

比较得知，对于同一桩群来说，处于大流速水流(即大雷诺数情形)中，其绕流程度更剧烈，桩群绕流包络线更外张，其张角更大，包络的区域更宽，对周围的水流影响区域更广更宽更长。

2.4.2 桩群长度对桩群绕流包络线的影响

比较测试对象为1#桩群和2#桩群，两者的差别在于长度不一样，2#桩群长度较1#桩群短，桩柱型号、排列方式等其他条件一样。置于同样的水流中，均与水流流向正交布置，测试结果见表7。

表7 桩群长度对桩群绕流包络线张角影响比较Tab.7 Influence comparison of the length of pile cluster on envelope curve flare angle of flowing around pile cluster

由表7知，对于桩柱型号和排列方式等其他条件一定的桩群来说，桩群越长，其绕流紊动更剧烈，桩群绕流包络线更外张，其张角更大，包络的区域更宽，对周围的水流影响区域更广更宽更长。

2.4.3 桩群垂直流向阻流率对桩群绕流包络线的影响

测试桩群为3#桩群和4#桩群，两者差别在于4#桩群垂直流向阻流率大于3#桩群，也就是说在垂直流向桩柱的密度要大些，其他因素相同。置于同样水流中，其测试结果见表8。

表8 桩群垂直流向阻流率对桩群绕流包络线张角影响比较Tab.8 Influence comparison of the horizontal resisting water flow rate on pile cluster envelope curve flare angle of flowing around pile cluster

2.4.4 桩群排架密度对桩群绕流包络线的影响

被测桩群为3#桩群和5#桩群，5#桩群的排架数大于3#桩群，也就是说在纵向桩柱的密度要大，其他因素相同。置于同样水流中，其测试结果见表9。

表9 桩群排架密度对桩群绕流包络线张角影响比较Tab.9 Influence comparison of the bent density on envelope curve flare angle of flowing around pile cluster

比较得知，桩群排架密度即纵向桩柱密度率越大，则桩群绕流紊动越剧烈，对水流的影响区域更大，更宽更长，桩群绕流包络线更外张，其张角更大，包络的区域更宽。

2.4.5 迎流角对桩群绕流包络线的影响

被测桩群为6#桩群，分别于水流流向呈0°和5°迎流角，置于同一水流中，其测试结果见表10。

表10 迎流角对桩群绕流包络线张角影响比较Tab.10 Influence comparison of up-flow angle to envelope curve flare angle of flowing around pile cluster

比较得知，迎流角对桩群绕流影响很大，同样的桩群，一个小小的迎流角就能使桩群绕流影响区域展得较宽较长，迎流角越大，桩群绕流包络线更外展，其张角更大，包络的区域更宽。

分析发现桩群绕流张角Φ主要与雷诺数Re(一定程度反映水流流速V)与桩群阻流率DH(桩群迎流角θ实际影响桩群阻流率)关系密切，且与两者同时相关联，故这里探求张角Φ和雷诺数Re与桩群阻流率DH乘积(DH·Re)的相关关系，分析如图2。

图2 Φ和DH·Re的相关关系Fig.2 Relationship between Φ and DH·Re

得出经验公式:

3 结论

通过对桩群绕流研究，定性分析了桩群绕流的影响因素，认为桩群的排列方式对桩群绕流流场有不同的影响。为方便说明，定义了桩群绕流包络线和包络线张角的概念，并对比测试了流速、雷诺数、桩群阻流率、桩柱密度、迎流角对桩群绕流包络线和其张角的影响程度的差异。得出结论:流速、雷诺数、桩群阻流率、桩柱密度、迎流角越大对桩群绕流包络线越外展和其张角越大，但递增的幅度越来越小，并有趋于某个定值的可能。

［1］张远君.流体力学大全［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1991.

［2］刘应中，缪国平.高等流体力学［M］.上海:上海交通大学出版社，2000.

［3］Honerner S F.Fluid Dynamic Dray［M］.Washington，D.C.:Technical Publishing House，1958.

［4］Ball D J.Simulation of piers in hydraulic models［J］.Journal of the Waterways Harbors and Coastal Engineering Division，1974，100(1):18-27.

［5］Ball D J，Hall C D.Drag of yawed pile groups at low ronolds numbers［J］.Journal of the Waterways Harbors and Coastal Engineering Division，1980，106(2):229-238.

［6］邓绍云.圆柱桩群阻力特性及其对地床冲淤影响的研究［D］.南京:南京水利科学研究院，2007.

［7］Morkovin M V.Flow around circular cylinder:kaleidoscope of challenging fluid phenomena［C］.Philadelphia:Symposium on Fully Separated Flows，1964:85-89.

［8］Julios.An investigation of the near wake of a circular cylinder using a vidor based digital correlation particle image velocimetry technique［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，1996，12:221-233.

［9］Brucker C H.Digital particle image velocimetry(DPIV)in a scanning light sheet:3D starting flow around a short cylinder［J］.Expriments in Fluids，1995，19:255-263.

［10］房春艳，杨斌，朱旭，等.重钢矿物码头通航:维水流数值模拟［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2010，29(2):299-302.FANG Chun-yan，YANG Bin，ZHU Xu，et al.Numerical simulation of two-dimension waterflow condition on navigation in Chonggang mineral terminal［J］.Joural of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(2):299-302.