[发明专利]基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算方法和装置

权利要求书

1.一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算方法，其特征在于，所述方法包括：

获取目标桥梁监测点的基本特征参数，其中，所述基本特征参数包括：水流参数、结构参数和泥沙参数，水流参数包括水流流速和水深，结构参数包括桥墩直径，泥沙参数包括泥沙粒径、泥沙休止角和泥沙密度；

基于圆柱绕流机理对桥墩迎流方向流场进行简化，结合数值流场分析确定流场参数和等效流场转换系数；

根据所述基本特征参数信息、流场参数和等效流场转换系数，计算所述目标桥梁监测点的桥墩迎流方向流场的输入总能量E_input和桥墩墩周泥沙搬运输出总能量W；

基于能量守恒，考虑流体与桥墩互相作用以及与河床摩擦产生的能量耗散，将输入总能量E_input和输出总能量W进行联立，得到包含桥墩局部冲深的联立表达式；

根据所述联立表达式，预测目标桥梁监测点的桥墩局部冲深；

基于圆柱绕流机理对桥墩迎流方向流场进行简化，结合数值流场分析确定流场参数和等效流场转换系数，包括：

根据网格数的计算，将桥墩前面下降水流的截面范围简化成一个长为n₂D、宽为n₃D的矩形，桥墩侧面加速流的截面范围简化成底面为n₁D、高为n₂D的两个三角形，其中，

n₃=1

其中，D表示桥墩直径，表示泥沙休止角，n₁、n₂和n₃表示流场参数；

确定桥墩前面流场的第二等效流速转换系数m₂=1；

采用以下第一计算公式计算得到桥墩侧面的流场的第一等效流速转换系数m₁：

其中，S₁、S₂、S₃表示相应流速等值线内的面积，v₁、v₂、v₃表示对应的流速等值线内的平均流速，V₀表示有效流速；

根据所述基本特征参数信息、流场参数和等效流场转换系数，计算所述目标桥梁监测点的桥墩迎流方向流场的输入总能量E_input，包括：

采用以下第二和第三计算公式计算桥墩前面的有效动能和桥墩侧面的有效动能：

考虑流体与桥墩互相作用以及与河床摩擦产生的能量耗散，采用以下第四计算公式计算所述目标桥梁监测点的桥墩前面和桥墩侧面的输入总能量E_input：

其中，E_front表示桥墩前面的有效动能，E_side表示桥墩侧面的有效动能，T表示时间尺度系数，其数值为缩尺实验中获得平衡冲刷深度的时间，也可根据国内外经验方程计算，ρ表示泥沙密度，D表示桥墩直径，H₀表示有效水深，V₀表示有效流速，g表示重力加速度，j表示河床摩擦系数，l取桥墩前面下降水流的截面范围n₂D，ξ₀表示桥墩能量耗散系数，m_front等效表示桥墩前面流场计算范围内的流体等效质量，m_side等效表示桥墩侧面流场计算范围内的流体等效质量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述基本特征参数信息，计算所述目标桥梁监测点的桥墩墩周泥沙搬运输出总能量W，包括：

采用以下第五计算公式计算垂直方向搬运泥沙所需的第一能量：

采用以下第六计算公式计算水平方向搬运泥沙所需的第二能量：

其中，W₁表示所述第一能量，W₂表示所述第二能量，ρ_s表示泥沙密度，ρ表示流体密度，β表示泥沙孔隙度系数，V_s表示冲刷坑的体积，g表示重力加速度，h_s表示桥墩局部冲深，d_s表示泥沙中值直径，D表示桥墩直径，表示泥沙休止角；

采用以下第七计算公式计算所述输出总能量：

。