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

1.本发明涉及桥墩冲深预测技术领域，尤其涉及一种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。


背景技术：

2.经验性公式通过筛选桥桩冲刷的影响参数，利用大量试验及现场观测数据进行量纲分析，对相关系数进行拟合。我国公路和铁路部门在泥沙起动理论的基础上，制定了65-1式及65-2式。美国联邦公路署（fhwa）推荐使用hec-18方程。melville 和 chiew研究了均匀沙床条件下圆柱桩周围清水冲刷深度随时间的变化规律，建立了局部冲刷深度与时间的函数关系。
3.非黏性土桥墩局部冲刷65-1式表示为：非黏性土桥墩局部冲刷65-2式表示为：hec-18方程表示为：melville方程可表示为：半理论半经验公式通常先基于一定理论基础推导获得公式的结构形式，再利用试验及现场观测数据对公式内参数进行拟合。kang zhou等人基于湍流唯象理论，探讨了涡流
之间能量的互相传递，通过研究涡流系统长度尺度与速度尺度和床面剪切应力的关系，建立了多圆柱体的无量纲冲刷深度预测模型；基于机器学习的黑匣子方法，通过大量的训练样本构建一组有效变量（作为模型输入）和冲刷深度（作为目标变量）之间的关系，预测值的精度与训练样本的数据量成正相关。
4.现有技术存在以下缺陷：1、对于现有的经验公式，由于无法获得大量的实桥冲刷数据，因此无法准确获得无量纲参数之间功能关系的真实情况。
5.2、现有的经验公式不能够在无量纲参数之间提供理论框架。
6.3、现有的半经验半理论公式参数之间逻辑关系不够清晰，且同样具有较强经验性及地域局限性。
7.4、现有的半经验半理论公式应用实际工程较少。
8.5、黑匣子的预测精度随数据样本数量的增加而增加，但在实际工程中，由于现场监测环境的复杂性，用于训练的模型输入参数和目标变量的获取非常困难，训练样本的数量难以积累。且该方法由于训练样本的区域性，具有较强的地域局限性。
9.6、现有的公式在应用于跨海大桥时未考虑潮流流速的折减。


技术实现要素：

10.为克服相关技术中存在的问题，本发明提供一种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，通过能量守恒理论构建局部冲刷预测公式，解决了现有冲刷预测公式所含参数之间逻辑不清晰的问题，并且基于少量监测特征数据开展数值流场分析用于计算局部冲刷深度，避免了现有技术方法对训练样本精度及数量的依赖，同时克服了现有技术方法的地域局限性。
11.根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算方法，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。
12.在一个实施例中，优选地，基于圆柱绕流机理对桥墩周围流场进行简化，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，d的两个三角形，其中，n3=1其中，d表示桥墩直径，φ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。
13.在一个实施例中，优选地，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侧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：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。
14.在一个实施例中，优选地，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，ρs表示泥沙密度，ρ表示流体密度，β表示泥沙孔隙度系数，vs表示冲刷坑的体积，g表示重力加速度，hs表示桥墩局部冲深，ds表示泥沙中值直径，d表示桥墩直径，φ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：在一个实施例中，优选地，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，包括：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，使输入总能量e=输出总能量w，得到如下联立表达式：k1h
s4 + k2h
s3 + k3h
s2
= af·ab
·ap
·at
其中，ap
=d
2 h
02at =t=t其中，ρs表示泥沙密度，ρ表示流体密度，β表示泥沙孔隙度系数，vs表示冲刷坑的体积，g表示重力加速度，hs表示桥墩局部冲深，ds表示泥沙中值直径，d表示桥墩直径，φ表示泥沙休止角；在一个实施例中，优选地，采用以下计算公式得到h0：其中，v表示实际流速，vc表示泥沙启动流速。
15.在一个实施例中，优选地，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，包括：将所述目标桥梁监测点的基本特征参数信息、流场参数和等效流场转换系数代入所述联立表达式，以计算得到所述桥墩局部冲深hs。
16.根据本发明的第二方面，提供一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算装置，所述装置包括：获取模块，用于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；确定模块，用于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；
计算模块，用于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；处理模块，用于基于能量守恒，考虑流体与桥墩互相作用以及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；预测模块，用于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。
17.根据本发明的第三方面，提供一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算装置，所述装置包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为：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。
18.根据本公开实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现第一方面中任一项所述方法的步骤。
19.本发明产生的有益效果是：1）本发明通过能量守恒理论构建局部冲刷预测公式，解决了现有冲刷预测公式所含参数之间逻辑不清晰的问题。
20.2）本发明基于少量监测特征数据开展数值流场分析用于计算局部冲刷深度，避免了现有技术方法对训练样本精度及数量的依赖，同时克服了现有技术方法的地域局限性。
21.3）本发明通过考虑潮流流速的折减以及能量耗散对于局部冲刷的影响，使得构建出的局部冲刷预测公式更加符合逻辑，解决了现有的冲刷预测公式逻辑不够清晰的问题。
22.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
23.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
24.图1是根据一示例性实施例示出的一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算方法的流程图。
25.图2是根据一示例性实施例示出的流场简化示意图。
26.图3是根据一示例性实施例示出的冲刷坑示意图。
27.图4是根据一示例性实施例示出的一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算装置的框图。
具体实施方式
28.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
29.图1是根据一示例性实施例示出的一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算方法的流程图。
30.如图1所示，根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算方法，包括：步骤s101，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；与现有冲刷预测相比无需积累大量的实测数据。本实施案例以浙江沿海某一海域中三座桥墩为例。其中，若研究桥梁为跨海越江大桥，其受到潮流的影响，需要对流速进行折减，有效流速v0折减方式如下：步骤s102，基于圆柱绕流机理对桥墩迎流方向流场进行简化，并确定流场参数和等效流场转换系数；flow-3d是一个通用的计算流体力学（cfd）软件。该软件能够进行流体边界跟踪，用矩形非边界拟合坐标解决流体-流体和流体-空气界面。该软件已被用于各种水利和海岸工程的应用，包括桥墩周围的流动和冲刷。
31.本实施案例使用flow-3d对桥墩进行墩周流场数值分析。相关研究表明，下行流、马蹄涡和尾流涡是冲刷孔发展的主要原因。桥墩正前方一定范围内的水平流是形成下行流和马蹄形漩涡的主要因素，而码头一侧的加速流是形成尾流漩涡的主要因素。
32.本技术方案基于圆柱绕流机理对桥墩迎流方向流场进行合理的简化：(1)如图2所示，根据网格数的计算，墩前下降水流的截面范围可简化为一个长为n2d、宽为n3d的矩形，考虑到墩侧加速流在墩侧直径范围内的有效动能，墩侧加速流的范围可简化为底面为n1d、高为n2d的两个三角形；(2)考虑到墩侧加速流在墩侧直径范围内的有效动能，墩侧加速流的范围可简化为底面为n1d、高为n2d的两个三角形，其中n3=1；流场参数n1、n2的大小与冲刷坑范围有关，其数值由泥沙休止角φ确定，根据试验
结果，假定以一倍桩径d为冲刷深度hs，n1、n2的计算方式如下：的计算方式如下：(3)m1，m2为等效流速转换系数，在对墩周流场进行合理简化的同时，需要对流速进行等效转换。由于墩前一定范围内的水平流将完全转化为下降水流的动能，所以m2=1；m1的值与墩侧加速流场分布情况有关，计算方式如下，上式中，s1、s2、s3为相应流速等值线内的面积，不同计算水位获得的s1、s2、s3并不相同，其数值大小用网格数计算，通过网格面积以及网格数量换算成相应范围的面积，流速等值线的选取范围为大于输入流速的流场流速范围；v1、v2、v3为流速等值线内的平均流速（米/秒），ni为流场参数，mi为等效流速转换系数。
33.步骤s103，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；墩正前方有效动能如下：墩侧有效动能如下：上式中，t是时间尺度系数，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是流体的密度；d是墩柱的直径；h0是有效水深，由数值模拟中选择的流场参数计算水位决定，h0的选取对于不同工况而言是不同的。v0为有效流速，其与选取的计算水位有关，选取方式如下：上式中，h为水深。
34.在流场输入能量的计算过程中，流体自身产生的能量耗散会对预测精度产生一定的影响，根据改进的广义伯努利方程：
上式中，h0、hd、v1、vd为同一流线上不同点的水深以及流速，ξ0为桥墩能量耗散系数，对于圆柱形桥墩，ξ
0 =1/(1-γ)1.6-1，γ=d/b，d为桥墩墩宽，b为河床宽度；j为河床摩擦系数，， ，rh,avg为水力半径;l为两个测点之间的距离。根据上述可知，流场中能量耗散主要由流体与桥墩互相作用以及计算范围内流体与河床摩擦引起。
35.考虑桥墩以及流体与床面泥沙带来的能量折减，引入桥墩能量耗散系数ξ0和河床摩擦系数j，墩前以及墩侧有效总动能折减为：上式中，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，l取墩前计算范围，为n2d。
36.本技术方案中，考虑了以下因素来简化冲刷坑的形状，并在此基础上计算垂直方向和水平方向泥沙搬运所需的能量。
37.(1)将桥墩周围冲刷坑的体积作为一个巨型的沉积物颗粒来处理。
38.(2)冲刷孔是一个高度为hs，顶部和底部半径分别为r和r的圆台。移除的沉积物被视为整体，其中心点位于冲刷孔底面以上2hs/3处。
39.(3)墩周冲刷坑的侧壁坡度等于泥沙休止角φ。
40.如图3所示，将冲刷坑视为一个整体，其体积如下：垂直方向搬运所需的能量如下：水平方向搬运所需的能量如下：
其中，w1表示所述第一能量，w2表示所述第二能量，ρs表示泥沙密度，ρ表示流体密度，β表示泥沙孔隙度系数，vs表示冲刷坑的体积，g表示重力加速度，hs表示桥墩局部冲深，ds表示泥沙中值直径，d表示桥墩直径，φ表示泥沙休止角；步骤s104，基于能量守恒，考虑流体与桥墩互相作用以及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；基于能量守恒，考虑流体与桥墩互相作用以及河床摩擦产生的能量耗散，使输入总能量e=输出总能量w，得到如下联立表达式：k1h
s4 + k2h
s3 + k3h
s2
= af·ab
·ap
·at
其中，其中，其中，其中，其中，a
p
=d
2 h
02at =t=t其中，ρs表示泥沙密度，ρ表示流体密度，β表示泥沙孔隙度系数，vs表示冲刷坑的体积，g表示重力加速度，hs表示桥墩局部冲深，ds表示泥沙中值直径，d表示桥墩直径，φ表示泥沙休止角；步骤s105，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。
41.等效流场转换系数m1的选取根据试验获得的实际冲刷深度与数值模拟获得的流场信息获取，试验的工况如表1所示。
42.表1在计算等效流场转换系数m1时，不同计算水深获取的m1并不相同，故建立了相同工况的物理试验，获取了每个工况下的有效水深h0，通过计算获得了12组试验工况的有效水深以及1组实测跨海大桥冲刷的有效水深，计算结果如表2所示。结合每一组工况的水流强度（v/vc），拟合出有效水深h0的求解函数，为不同工况条件下有效水深的选取提供指导。其中，vc为泥沙启动流速，v为实际流速，其大小与泥沙中值粒径、水深有关，计算方法如下式所示：所示：对于5≤r≤70,对于r＞70,上式中，u*为摩擦流速，d
50
为泥沙中值粒径，r为判别条件。
43.表2
拟合结果为：如下式所示，本发明的冲刷预测方程：k1h
s4 + k2h
s3 + k3h
s2
= af·ab
·ap
·at
其为一元四次方程，将关键特征参数代入并通过matlab进行计算获得结果。本实施案例计算结果如表3所示。
44.表3
图4是根据一示例性实施例示出的一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算装置的框图。
45.如图4所示，根据本发明的第二方面，提供一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算装置，所述装置包括：获取模块41，用于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；确定模块42，用于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；计算模块43，用于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；处理模块44，用于基于能量守恒，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；预测模块45，用于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。
46.根据本发明的第三方面，提供一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算
装置，所述装置包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为：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。
47.根据本公开实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现第一方面中任一项所述方法的步骤。
48.进一步可以理解的是，本发明中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
49.进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
50.进一步可以理解的是，本发明实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
51.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
52.应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。