【摘要】：長江上游包括重慶市、四川省、云南省等大型碼頭的建設(shè)中,由于存在覆蓋層淺及深水施工等問題,碼頭下部結(jié)構(gòu)更多采用鋼管混凝土嵌巖樁型式,樁基及縱橫撐均大量使用鋼結(jié)構(gòu)。目前內(nèi)河港口鋼構(gòu)件防腐主要依據(jù)沿海鋼結(jié)構(gòu)防腐標準采用涂層保護法。但與海港相比,內(nèi)河在汛期具有流速大、高含沙量的水流環(huán)境,導致涂層在泥沙的沖蝕作用下快速脫落。本文采用CFD數(shù)值模擬方法,建立水沙兩相圓柱繞流流場的數(shù)值模型,在此基礎(chǔ)上研究內(nèi)河含沙水流條件下,泥沙顆粒的沖蝕特性,基于已有的沖蝕理論模型,提出內(nèi)河條件下沖蝕損傷模型。本文的主要研究工作及取得的成果如下:(1)采用大渦模型模擬非穩(wěn)定湍流流場,離散相模型(DPM)模擬泥沙軌跡,建立了雷諾數(shù)為1.5×10~5的水沙繞流數(shù)值模型。計算結(jié)果表明:阻力系數(shù)C_d、升力系數(shù)C_l、斯特勞哈數(shù)St、表面壓力系數(shù),及不同粒徑泥沙在尾流內(nèi)的分布特征與相關(guān)文獻結(jié)果基本一致,驗證了模型的可靠性。(2)基于建立的水沙繞流數(shù)值模型,研究了泥沙顆粒在不同粒徑、不同流速條件下對圓柱迎水面的沖蝕特性,結(jié)果表明:越靠近圓柱90°位置,受泥沙沖蝕的概率就越大,但沖蝕速度越小。大部分泥沙均以小沖角劃過圓柱面,對涂層材料表面造成微切削損傷,經(jīng)過反復沖刷后形成較長的溝壑。在圓柱90°附近,會有少量泥沙以大角度沖擊涂層,在反復的沖擊作用下形成沖擊坑。泥沙粒徑或流速越大,沖蝕圓柱45°-90°位置的概率就越大,且沖蝕速度、沖蝕角度、有效撞擊率也隨之增大。當粒徑增大到一定范圍,有效撞擊率開始減小。(3)基于水沙繞流數(shù)值模型,研究了泥沙顆粒在不同粒徑、不同流速條件下對圓柱背水面的沖蝕特性,結(jié)果表明:越靠近圓柱-90°位置,受泥沙沖蝕的概率就越大,沖蝕速度也越大。沖蝕背水面的泥沙顆粒,大部分還是小沖角劃過圓柱面。相比于迎水面,背水面發(fā)生大角度沖蝕作用范圍更廣,且占比更多,但沖蝕程度遠遠不及迎水面。泥沙粒徑或流速越大,圓柱-45°至-90°位置的沖蝕概率就越大,且沖蝕速度、沖蝕角度、有效撞擊率也隨之增加。當粒徑增大到一定范圍,有效撞擊率開始減小。(4)結(jié)合數(shù)值模擬計算結(jié)果和現(xiàn)有沖蝕模型提出了適用于內(nèi)河含沙水流條件下的涂層沖蝕數(shù)學模型。經(jīng)計算1.0m/s、1.2m/s、1.5m/s、1.8m/s四種流速下涂層的厚度損傷量,各流速下的最大沖蝕量均出現(xiàn)在圓柱30°-45°位置附近。將計算值與室內(nèi)模型試驗值進行對比,驗證了提出的涂層沖蝕數(shù)學模型的可靠性。
【圖文】：

會下降 10%～15%。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，我國每年由于金屬腐蝕引起的直接經(jīng)濟損失已達數(shù)千億元，占 GDP 的 1%～4%，而水環(huán)境引起的金屬腐蝕占比大于 33%。因此，解決內(nèi)河港口水工鋼構(gòu)件的防腐成為人們?nèi)找骊P(guān)心的問題。目前我國還沒有完整的、有針對性的內(nèi)河鋼構(gòu)件防腐設(shè)計規(guī)范及工藝標準，在進行碼頭施工時一般參照海港工程相關(guān)規(guī)范中的涂層保護法來進行鋼結(jié)構(gòu)的防腐。涂層保護法具有操作便捷，施工簡易，不易受施工場地、鋼構(gòu)件形狀和尺寸限制等諸多優(yōu)點[2]。但由于我國內(nèi)河是淡水水質(zhì)，且具有流速大（洪水期 3m/s～5m/s）、大泥沙含量等特點，，與近海條件下的腐蝕介質(zhì)、水流特性等有較大的差異。在內(nèi)河含沙水流條件下，仍然參照海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐規(guī)范進行設(shè)計，則很難達到預期效果，涂層甚至會極早失效。本課題組對重慶果園港鋼構(gòu)件防腐涂層使用情況進行了實地調(diào)研，如圖 1.1 所示，防腐涂層在經(jīng)過含沙水流沖刷一年左右后，已經(jīng)出現(xiàn)大范圍的開裂和脫落，鋼構(gòu)件直接裸露在空氣中，腐蝕情況嚴重，涂層的使用壽命還遠未達到 10 年的設(shè)計要求。目前，內(nèi)河含沙條件下防腐涂層的沖蝕問題已經(jīng)影響到內(nèi)河水工鋼構(gòu)件的正常使用，是港口工程營運中亟待解決的重大問題。

總體技術(shù)路線圖
【學位授予單位】：重慶交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U656.1

【參考文獻】

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1 郝

本文編號：2629944