有限深度均匀水流中圆柱横向阻力影响特性

　　圆柱桩基码头及桥墩桩基均由单个圆柱或不同数目的圆柱按一定的布置方式组成，而多个圆柱等间距横向排列是圆柱组成桩群的基本形式。通过圆柱阻力测试研究，探索圆柱横向阻力影响特性规律，是进一步研究探索圆柱桩群阻力特性的必由之路。

　　1 圆柱水流绕流阻力概念

　　圆柱置于匀速流动的水流中，由于作用在圆柱上的水动力压强分布的不对称性，形成压强阻力，以及圆柱表面存在由于圆柱表面切应力造成的表面摩擦阻力，两者之和为圆柱绕流阻力，其方向为流体运动方向的反方向。一般地说，压强差是起主导作用的，并相应与来流速度 V0的动压力成正比[1，2]。

　　深度为H 的均匀水流中的圆柱绕流阻力公式如下：

式中：CD为绕流阻力系数;A 为桩柱在垂直于水流方向平面上的投影面积;ρ 为水的密度;V0为水流流速。

　　2 相关研究成果

　　1958 年，Hoerner[3]通过风洞试验对置于二维均匀流的直立圆柱的阻力进行测试，测得了其阻力系数CD与雷诺数Re 的关系曲线，同时还通过对垂直来流横向排列两圆柱的阻力测试得出圆柱阻力横向影响系数[3]。但工程实际中这样的理想状态是不存在的，David J. Ball[4-7]测试了有限深度均匀水流中圆柱桩群阻力，但单圆柱阻力系数和圆柱阻力横向影响系数均套用 Hoerner 成果，故发生很大偏差。因此迫切需要对处于工程实际有限深度均匀水流中的圆柱绕流阻力横向影响特性规律进行探索，以指导圆柱桩群阻力特性的把握。而有效的研究方法就是在实现有均匀水流的水槽中进行两圆柱和多圆柱横向排列阻力测试[8，9]。

　　3 单圆柱阻力测试及成果

　　桩柱绕流阻力测试原理和方法以及试验水槽边壁对测试效果的影响及考虑见文献[8，9]，本文不再重复。

　　3.1 圆柱阻力系数与水深桩径比值关系

　　水工模型中的桩柱一般处于低雷诺数区段，而工程实际中的桩柱一般处于高雷诺数区段，故有必要测试并点绘低雷诺数到高雷诺数区段的圆柱阻力系数 CD随雷诺数 Re关系曲线。改变雷诺数 Re，有两种方法，一是变化流速，二是变化桩柱的桩径。在这两种情况下测试的圆柱阻力系数是否一致，对于两种方法是否等同很关键，故有必要进行同一雷诺数下，圆柱阻力系数与水深桩径比值关系的测试研究。通过相同圆柱在不同的水流流速和不同的水流深度的两组情况下测试试验，得到如图1 所示结果。由图可见，水深桩径比值 H/D 对圆柱阻力系数C并没有影响。

　　3.2 单圆柱阻力特性

　　通过变化水流流速和变化圆柱直径实现各级雷诺数，进行了大量的单圆柱阻力测试并取得圆柱阻力系数与雷诺数关系成果，如图2 所示。