弯曲航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法技术

本发明专利技术公开了一种弯曲航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法，其通过RNG k‑ε模型结合航道总流速Uc和所述桥墩特征参数进行三维数值模拟计算，并根据计算结果进行曲线拟合，获得所述桥墩与弯曲航道边缘最小距离S，从而为桥区浮标和航道布置提供依据，降低发生安全事故的几率。

【技术实现步骤摘要】
弯曲航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法
本专利技术涉及弯曲航道航行
，尤其涉及一种弯曲航道中桥墩与航道边缘最小距离的的确定方法。
技术介绍
弯曲航道由于水流流态复杂，往往是事故多发地段。如果在弯曲航道建设桥梁，由于桥墩的存在，在其周围形成大量的紊流，在紊流的诱导下，船舶发生撞桥事故的概率大大增大。对于弯曲桥区航道而言，桥梁浮标应设置在桥墩紊流漩涡区范围之外，以指示船舶不要驶入桥墩紊流漩涡区。因此桥墩与航道边缘最小距离应该是桥墩紊流沿航道法线方向延伸的最大距离。桥墩与航道边缘最小距离是桥区浮标和航道宽度布置的重要依据，因此，有必要研究桥墩与航道边缘最小距离，为桥区浮标和航道布置提供依据。关于桥墩紊流范围，也有不少研究人员研究过，但他们研究的大多数是顺直航道桥墩防紊流范围大小，他们的研究结果认为，顺直航道桥墩紊流区范围与桥墩的特征宽度和桥墩附近水流的弗劳德数密切相关，桥墩迎流面的特征宽度越宽，桥墩紊流区范围越大；桥墩附近水流的弗劳德越大，桥墩紊流区范围也越大。相较于顺直航道桥墩防撞区，弯曲航道桥墩防撞区情况则复杂得多。这主要是因为，弯曲航道弯道环流，桥墩与流向之间存在夹角。关于弯曲航道桥墩紊流区范围，相关文献研究较少。但弯曲桥区水域更是事故多发地段，因此，很有必要深入研究弯曲航道桥墩紊流区范围，以确定桥墩与航道边缘最小距离。因此，目前亟需一种能够确定弯曲道航道中桥墩与航道边缘最小距离的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种弯曲道航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法，其能够根据桥墩的特征参数和弯道总流速确定出桥墩与弯曲航道边缘最小距离S。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种弯曲道航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法，包括步骤：分别获取弯曲航道总流速Uc和桥墩特征参数，所述桥墩特征参数包括桥墩长度L，桥墩宽度B以及所述桥墩轴线与所述弯曲航道中航道总流向之间的夹角β；采用RNGk-ε模型结合航道总流速Uc和所述桥墩特征参数进行三维数值模拟计算，并根据计算结果进行曲线拟合，获得所述桥墩与弯曲航道边缘最小距离S，所述桥墩与弯曲航道边缘最小距离S的计算公式为：其中，所述获取所述弯曲航道中航道总流向之间的夹角β的步骤，具体包括步骤：分别获取弯曲航道参数和船舶吃水d，其中，所述弯曲航道参数包括弯曲航道水深H，弯曲航道曲率半径R；根据所述弯曲航道参数和所述船舶吃水d计算所述弯曲航道中航道总流向之间的夹角β，其计算公式为：其中，所述弯曲航道参数还包括所述弯曲航道的弯道纵向流速U，所述根据所述弯曲航道参数和所述船舶吃水d计算所述弯曲航道中航道总流向之间的夹角β的步骤，具体包括步骤：根据所述弯道纵向流速U计算弯道环流流速Ur；根据船舶的吃水d和所述弯道环流流速Ur，计算作用在船舶上的平均弯道横流流速Um；根据所述弯道纵流速U和所述平均弯道横流流速Um计算所述弯曲航道中航道总流向之间的夹角β，其计算公式为：β＝arctg(Um/U)。其中，所述弯道环流流速Ur的计算公式为：其中，y为相对水深。其中，所述平均弯道横流流速Um的计算公式为：其中，所述采用RNGk-ε模型结合航道总流速Uc和所述桥墩特征参数进行三维数值模拟计算，并根据计算结果进行曲线拟合，获得所述桥墩与弯曲航道边缘最小距离S的步骤，具体包括步骤：根据所述桥墩的特征参数计算桥墩的特征宽度B′；采用RNGk-ε模型结合航道总流速Uc和桥墩特征宽度B′对桥墩附近的水流结构进行三维数值模拟计算，得到所述桥墩与弯曲航道边缘最小距离S的经验公式，所述经验公式为：其中，所述桥墩的特征宽度B′的计算公式为：B′＝Lsinβ+Bcosβ。其中，所述RNGk-ε模型的控制方程包括：(1)质量守恒方程：其中，xi(＝x，y)代表轴向和径向方向的坐标；ui(＝ux，uy)代表轴向和径向方向的水流流速；(2)动量守恒方程：其中，ρ表示水流的密度；p表示压强；(3)k-方程：其中，v表示水流的动力黏度；vt表示涡黏度，vt＝Cμ(k2/ε)，k表示紊动能，ε表示紊动能耗散率，Cμ＝0.085；(4)ε-方程：；其中，经验常数：η＝Sk/ε，C1＝1.42，ηo＝4.377，λ＝0.012，C2＝1.68，αk＝αε＝1.39。其中，进行三维数值模拟计算时，计算的边界条件包括：入流边界条件、出流边界条件、对称轴边界条件和壁面边界条件；若为入流边界条件时，入流平均流速uin＝u0，湍流动能分布k＝0.0144u02，湍流动能耗散率分布ε＝k1.5/(0.5R)，其中：u0为泄洪洞入口平均流速；0为泄洪洞半径；若为对称轴边界条件时，令径向速度为0，且各变量沿径向的梯度均为0；若为壁面边界条件时，令壁面边界的速度与边界节点速度分量相等。有益效果本专利技术的边缘最小距离确定方法通过分别获取影响桥墩与弯曲航道边缘最小距离的重要因素，即桥墩迎流面的特征宽度和弯道总流速，并采用湍流模型来进行三维数值模拟计算，从而得到桥墩与航道边缘最小距离的计算公式，进而为桥区浮标和航道布置提供依据，降低发生安全事故的几率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的一种弯曲航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法的一实施例的流程图；图2为船舶在弯曲航道的桥区附近航行的示意图；图3为根据三维数值模拟计算得到的数值绘制的曲线图；图4为本专利技术的一种弯曲航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法中获取桥墩轴线与航道总流向之间的夹角的一实施例的流程图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。定义：弯曲航道桥墩与航道边缘的最小距离：是指沿桥区航道法线方向，桥墩紊流自桥墩表面延伸到航道方向的最大距离S。弯道流总流向：弯道中存在沿弯道轴线方向的纵向流速和沿弯道径向的弯道环流，弯道纵向流及弯道环流的合成流的流向就是弯道流的总流向。桥墩轴线与航道边缘总流向之间的夹角β：由于桥区的桥墩布置通常是与弯道轴线平行(与弯道径向垂直)，因此，桥墩轴线与航道边缘总流向之间的夹角与弯道合成流与弯道纵向流之间的夹角大小β。桥墩的特征宽度：在弯曲航道中，桥墩迎流面的总宽度，如图2所示的B’。实施例一图1为本专利技术的一种弯曲道航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法的一实施例的流程图。具体地，本实施例中该桥墩与航道边缘最小距离的确定方法包括步骤：S101，分别获取分别获取弯曲航道总流速Uc和桥墩特征参数。本实施例中，该桥墩特征参数包括桥墩长度L，桥墩宽度B以及桥墩轴线与弯曲航道中航道总流向之间的夹角β。对于航行船舶而言，桥墩附近紊流影响其通航安全，而影响桥墩紊流范围的重要因素是桥墩迎流面的特征宽度和附近水流的弗劳德数，而影响弯道桥区附近弗劳德数的重要因素是弯道总流速，也就是说，影响本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种弯曲道航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法，其特征在于，包括步骤：分别获取弯曲航道总流速Uc和桥墩特征参数，所述桥墩特征参数包括桥墩长度L，桥墩宽度B以及所述桥墩轴线与所述弯曲航道中航道总流向之间的夹角β；采用RNGk‑ε模型结合航道总流速Uc和所述桥墩特征参数进行三维数值模拟计算，并根据计算结果进行曲线拟合，获得所述桥墩与弯曲航道边缘最小距离S，所述桥墩与弯曲航道边缘最小距离S的计算公式为：S＝(1.76ln Uc+3.63)(Lsinβ+Bcosβ)+0.0005ln Uc+0.0004。

【技术特征摘要】
1.一种弯曲道航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法，其特征在于，包括步骤：分别获取弯曲航道总流速Uc和桥墩特征参数，所述桥墩特征参数包括桥墩长度L，桥墩宽度B以及所述桥墩轴线与所述弯曲航道中航道总流向之间的夹角β；采用RNGk-ε模型结合航道总流速Uc和所述桥墩特征参数进行三维数值模拟计算，并根据计算结果进行曲线拟合，获得所述桥墩与弯曲航道边缘最小距离S，所述桥墩与弯曲航道边缘最小距离S的计算公式为：S＝(1.76lnUc+3.63)(Lsinβ+Bcosβ)+0.0005lnUc+0.0004。2.如权利要求1所述的弯曲航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法，其特征在于，所述获取桥墩轴线与所述弯曲航道中航道总流向之间的夹角β的步骤，具体包括步骤：分别获取弯曲航道参数和船舶吃水d，其中，所述弯曲航道参数包括弯曲航道水深H，弯曲航道曲率半径R；根据所述弯曲航道参数和所述船舶吃水d计算桥墩轴线与所述弯曲航道中航道总流向之间的夹角β，其计算公式为：3.如权利要求2所述的弯曲航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法，其特征在于，所述弯曲航道参数还包括所述弯曲航道的弯道纵向流速U，所述根据所述弯曲航道参数和所述船舶吃水d计算所述弯曲航道中航道总流向之间的夹角β的步骤，具体包括步骤：根据所述弯道纵向流速U计算弯道环流流速Ur；根据船舶的吃水d和所述弯道环流流速Ur，计算作用在船舶上的平均弯道横流流速Um；根据所述弯道纵流速U和所述平均弯道横流流速Um计算所述弯曲航道中航道总流向之间的夹角β，其计算公式为：β＝arctg(Um/U)。4.如权利要求3所述的弯曲航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法，其特征在于，所述弯道环流流速Ur的计算公式为：其中，y为相对水深。5.如权利要求4所述的弯曲航道中桥墩与航道边缘最小距离的确定方法，其特征在于，所述平均弯道横流流速Um的计算公式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王家宏，
申请(专利权)人：浙江海洋大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33