(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202211264059.2 (22)申请日 2022.10.17 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 115329451 A (43)申请公布日 2022.11.11 (73)专利权人 西南交通大 学 地址 610031 四川省成 都市金牛区二环路 北一段111号 (72)发明人 郭健　 (74)专利代理 机构 北京中和立达知识产权代理 有限公司 1 1756 专利代理师 孟姣 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G01D 21/02(2006.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 113/08(2020.01) (56)对比文件 CN 112182922 A,2021.01.0 5 WO 2019183252 A1,2019.09.26 WO 202125 3824 A1,2021.12.23 郭健 等.基 于能量平衡的跨海桥梁钢管桩 局部冲深计算. 《海 洋工程》 .2020,第38卷(第6 期), 王顺意 等.不同水力条件下圆柱桥墩局部 冲刷试验研究. 《防灾减灾工程学报》 .2019,第40 卷(第3期),第425 -431页. Jian Guo 等.Predicti on of local scour depth of sea- crossing bridges based o n the energy balance theory. 《Ships and Offshore Structures 》 .2021,第17 卷(第11 期), 审查员 龚秒 (54)发明名称 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 (57)摘要 本发明涉及桥墩冲深预测技术领域， 是关于 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， 方法包括： 获取目标桥梁监测 点的基本 特征参数； 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； 根据基本特征参数 信息、 流场参数和等效流场转换系数， 计算目标 桥梁监测点的桥墩迎流方向流场的输入总 能量 Einput和桥墩墩周泥沙搬运输出总能量W； 基于能 量守恒， 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Einput和输出总能 量W联立， 得到联立表达式； 根据联立表达式， 预 测目标桥梁监测点的桥墩局部冲 深， 解决现有冲 刷预测公式所含参数之间逻辑 不清晰的问题。 权利要求书6页 说明书14页 附图4页 CN 115329451 B 2022.12.27 CN 115329451 B 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Einput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Einput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Einput， 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Einput：权　利　要　求　书 1/6 页 2 CN 115329451 B 2其中， Efront表示桥墩前面的有效动能， Eside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， mfront等效表示 桥墩前面流场计算范围内 的流体等 效质量， mside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， 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， 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：  。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 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Einput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：权　利　要　求　书 2/6 页 3 CN 115329451 B 3