橋梁抗風(fēng)性能仿真

1、利用CFD-ACE進行橋梁抗風(fēng)性能仿真一、計算實例簡述 本計算實例為重型支援橋假設(shè)時三個階段的風(fēng)橋耦合仿真。其模型結(jié)構(gòu)如圖所示：圖1.1位重型支援橋某工作狀態(tài)模型 前期使用GEOM軟件進行模型建立，網(wǎng)格劃分等工作，并把此計算案例分為三個域進行計算：1號域為橋體本身；2號域為橋體附近的空氣流域；3號域為橋體遠方的空氣流域。 為了提高計算效率以及計算精確度，則需要在1號和2號域中網(wǎng)格相比3號域中更為精密。下圖為三個域的示意圖。圖1.2域1 和域2示意圖 其中如圖1.2所示，實體橋結(jié)構(gòu)內(nèi)部為1號域，橋體周圍的立方六面體（紫色六面體）到橋表面之間的空間為2號域。圖1.3 3號域示意圖 3號域為最大的立

2、方六面體到中間的立方六面體之間的空間。二、操作界面介紹打開CFD-ACE，其工作界面如下圖所示：圖2 CFD-ACE軟件工作界面 其主要分為菜單區(qū)、實體（域）顯示區(qū)域、設(shè)置面板、操作對象選擇區(qū)等四個部分。1.菜單區(qū) File、Edit、View、Units、Tool、Windows分別為基本操作的操作菜單。 為文件打開、存儲、撤銷快捷按鈕。 為控制模型顯示方式的選項按鈕，其中可選擇模型的可視角度、透明度、陰影等。 為CFD-ACE計算過程中對計算仿真過程或者結(jié)果操作的按鈕。其功能有時時觀察收斂曲線、打開與其關(guān)聯(lián)的CFD-VIEW軟件等。圖菜單區(qū)工作界面2.實體（域）顯示區(qū)域圖實體（域）顯示區(qū)域

3、 其操作方式主要為鼠標操作，其中鼠標左鍵功能為拖動，鼠標右鍵功能為旋轉(zhuǎn)，滾輪功能為放大。同時可以通過此區(qū)域進行操作對象的選擇。3.操作對象區(qū)域 此區(qū)域為操作對象選擇區(qū)域，方便對其進行選擇，選擇后，被選部分會在實體顯示區(qū)域顯示。然后進行相關(guān)操作。圖操作對象選擇區(qū)域4.設(shè)置面板 設(shè)置面板如下圖所示，其主要作用是設(shè)置各工況下的計算設(shè)置，從而進行合理的仿真計算。圖設(shè)置面板三、計算實例設(shè)置方法 下面開始介紹上述計算實例的計算設(shè)置方法。設(shè)置過程大致流程為：在實體顯示區(qū)域或者對象區(qū)域選擇對象，然后在設(shè)置面板完成設(shè)置，最后進行計算。其具體步驟如下。1、打開CFD-ACE軟件，讀取此實例中的模型文件。 操作：點

4、擊File菜單-選擇open-打開相應(yīng)文件,或者直接點擊圖 打開open圖選擇打開文件圖 打開文件后的界面2、選擇設(shè)置面板中的PT選項，其結(jié)果如圖。圖3.2.1 PT設(shè)置版面 PT（problem type）為問題類型設(shè)置面板，跟據(jù)特定的仿真實例選擇相應(yīng)的計算模塊，進而求解。 其中，F(xiàn)low為流體動力學(xué)模塊； Heat Transfer為傳熱輻射模塊；Turbulence為湍流模塊；Chemistry/Mixing(chem)為化學(xué)模塊；Radiation（Rad）為輻射模塊；Spray為噴霧/顆粒模塊；Free Surfaces（VOF）為自由液面模塊；Two-Fluid（Fluid2）為兩

5、相流模塊；Stress為結(jié)構(gòu)動力學(xué)模塊；Grid Deformation為網(wǎng)格形變模塊；Plasma為等離子體模塊；Electric為電模塊；Magnetic為電磁模塊。 根據(jù)不同的問題，需要選擇相應(yīng)的計算模塊進行求解，針對本算例我們用到了Flow流體動力學(xué)模塊、Turbulence湍流模塊、Stress為結(jié)構(gòu)動力學(xué)模塊，所以需要的操作時在此三個模塊前面打勾選中 ，如圖所示。3、選擇設(shè)置面板中的MO選項，其結(jié)果如圖3.3.1。圖3.3.1 MO設(shè)置面板 MO(model option)為模型選項，主要設(shè)置相關(guān)模型的參數(shù)，根據(jù)前面PT設(shè)置中所選的模塊，此算例的MO中會出現(xiàn)shared、flow、

6、turb和stress四個設(shè)置分類，如圖所示。3.1 shared設(shè)置 shared為公共參數(shù)設(shè)置 ，可設(shè)置描述收斂的標題名稱，時間參數(shù)等。圖3.3.1.1 時間參數(shù)設(shè)置 如圖3.3.1.1 所示，此為時間參數(shù)的設(shè)置，若算例為瞬態(tài)，則需要加上時間參數(shù)，則需要在transient conditions中的time dependence選擇 transient。然后出現(xiàn)下圖3.3.1.2所示菜單。圖3.3.1.2 時間參數(shù)設(shè)置版面 其中在No. of steps中加入迭代計算步數(shù)，在Time Step中輸入時間單位的時間長度。3.2 Flow設(shè)置 Flow為模型的流體設(shè)置，其設(shè)置面板如圖.1所示。

7、圖.1Flow設(shè)置面板 針對此計算案例，只需在Flow設(shè)置面板中的Reference Pressure中輸入算例模型中實際環(huán)境的表面大氣壓力，其為一個atm，故輸入100000。其余則不選擇。3.3 Turb設(shè)置圖.1為Turb設(shè)置面板 Turb設(shè)置中主要選擇湍流模型，和Wall的功能。 其中Turbulence Model中有如下模型選擇，按照算例的計算理論，我們需選擇K-Epsilon湍流模型計算。圖.2 Turbulence Model菜單 Wall Function中，我們選擇Standard Wall，如圖.3所示。圖.3 Wall Function菜單3.4 Stress設(shè)置圖.1

8、Stress面板 根據(jù)本算例計算理論，Analysis應(yīng)選擇Linear，Element Order選擇First。如下圖所示。圖.2Analysis菜單圖.3Element Order菜單4、選擇設(shè)置面板中的VC選項圖 VC設(shè)置面板 VC（volume conditions）為體/域設(shè)置，主要針對不同域中流體、湍流、應(yīng)力以及自身屬性進行設(shè)置。 VC Setting Mode中菜單如圖所示，針對此算例，我們只需要對算例中三個域的Properties和Stress進行設(shè)置。4.1Properties設(shè)置 首先選擇Properties，然后點擊三個域進行設(shè)置。 點擊選中其中的一個域。 然后右鍵單擊

9、，則出現(xiàn)以下菜單，通過此菜單可進行相關(guān)基本操作，如給不同的域進行命名等操作，點擊Proterties，則又會出現(xiàn)以下窗口，點擊OK則完成操作。 同時，VC設(shè)置版面則會出現(xiàn)你選擇域的Properties設(shè)置： 我們選擇的2號和3號域，在本案例中，2號和3號域同為空氣流體域，所以將兩個域同時設(shè)置，設(shè)置其Properties設(shè)置為Fluid，將Fluid Subtype 設(shè)置為Gas。 Material中的Property Sources中可從軟件數(shù)據(jù)庫中選擇，也可以用戶自定義，這里我們選擇數(shù)據(jù)庫選擇，即Import From Database。 Gas Material Name從數(shù)據(jù)庫選擇Air

10、，如下圖所示。 當設(shè)置好流域?qū)傩院?，則會出現(xiàn)流體的物理和流體參數(shù)，如果不符合算例要求，用戶可進行修改，如下圖所示。viscosity為粘性 對于1號域，其設(shè)置同理如下圖所示。4.2 Stress設(shè)置 由于應(yīng)力模塊在本算例中只在1號域的橋梁實體中體現(xiàn)，所以只需進行設(shè)置1號域中的Stress部分。 選擇VC Setting Mode中的Stress，然后選中一號域，則出現(xiàn)以下設(shè)置面板。activate stress 激活壓力5、選擇設(shè)置面板中的BC選項 BC(boundary conditions)為邊界條件設(shè)置，主要設(shè)置計算邊界的參數(shù)。針對本算例需要設(shè)置以下五個部分：入口、出口、橋體、邊界、固定

11、點。 針對對象選擇區(qū)域元素較多，所以我們首先應(yīng)該將其進行分類，分為入口、出口、橋體、邊界、固定點五個部分。 首先選擇同類元素，然后點擊按鈕進行打包歸類，如下圖所示。打包后為：5.1 入口設(shè)置 模型中入口示意圖如下圖所示： 在對象區(qū)選擇入口對象，然后轉(zhuǎn)入到BC設(shè)置面板，如下圖所示。 BC Setting Mode中選擇General。由于是入口設(shè)置，所以針對入口則設(shè)置BC Type 設(shè)置為Inlet。 入口的參數(shù)設(shè)置分為兩部分，分別為Flow流體和Turb湍流。 入口Flow設(shè)置 主要分為三個部分：壓力參數(shù)設(shè)置、溫度參數(shù)設(shè)置、入口流速設(shè)置。 壓力設(shè)置如圖： 溫度參數(shù)設(shè)置如圖：攝氏度=卡爾文-27

12、3.15 26.85 根據(jù)入口處實際流速分別向xyz 三個坐標系進行投影，將三個方向的速度分量進行設(shè)置。如下圖所示。 每個方向上可具體選擇速度的類型，可以設(shè)置恒定風(fēng)，梯度風(fēng)、脈動風(fēng)或者根據(jù)計算實際情況進行相應(yīng)的用戶設(shè)定。如下圖所示：5.1.2入口Turb設(shè)置 根據(jù)該算例選擇使用的湍流模型（k-epsilon），設(shè)置以下參數(shù)。 kinetic energy 湍流動能dissiptation rate 耗散率：湍流能量通過分子粘滯作用轉(zhuǎn)換為熱能的速率。白天對流典型值為0.01到0.001，夜間則為0.0001到0.0000015.2 出口設(shè)置 出口示意圖如下： 選擇出口對象，然后將其BC Type

13、設(shè)置為Outlet。同時由于為出口設(shè)置，其出口速度以及湍流參數(shù)都對本算例計算結(jié)果無影響，所以都設(shè)置為0，具體設(shè)置如下圖所示。5.3 邊界設(shè)置 邊界為3號域最外延除去入口和出口的部分，如下圖紅色部分所示： 選擇邊界，然后將BC Type設(shè)置為 Wall，由于靠近邊界處的流體可忽略不計，所以不進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。其設(shè)置都保持默認。5.4 橋?qū)嶓w設(shè)置 橋?qū)嶓w如上圖所示部分，選中后其BC設(shè)置面板如圖所示，BC Setting Mode設(shè)置為General，BC Type 設(shè)置為Interface。 Flow和Turb設(shè)置 由于是橋?qū)嶓w，所以其Flow以及Turb菜單無需設(shè)置。 Stress設(shè)置 在Su

14、b Type中選擇Load，將Applied Pressure選中，同時選中Implicit Pressure 和 Implicit Shear Stress，如上圖所示。5.5 Interface設(shè)置 Interface是指2號域和3號域之間的接觸面，如圖所示為紅色立方六面體表面。由于其為兩種大小網(wǎng)格的過渡面，不是實際的計算邊界，所以不需要做任何設(shè)置。只需將其選中，將其BC Type設(shè)置為Interface。5.6 橋梁固定部分的設(shè)置 根據(jù)本算例實際情況，橋梁中有幾個部分為固定點，即在風(fēng)場中其形變、位移、撓度等都不會隨著風(fēng)流體的加載作用而改變，所以需要對這部分進行特殊設(shè)置。 選中固定部分，將

15、其BC Type選擇為Interface。 其Flow和Turb部分設(shè)置原理和操作與橋?qū)嶓w設(shè)置相同： Stress設(shè)置如下圖所示，Sub Type選擇Prescribed Displacement，根據(jù)本算例要求，需要固定三個維度上位移，所以將Fixed X-Displacement 、Fixed Y-Displacement 、Fixed Z-Displacement選中，同時用戶可根據(jù)實際情況設(shè)置特殊大小的位移，填入Delta X Y Z中的數(shù)值中。6、選擇設(shè)置面板中的IC選項 IC（initial conditions）為初始條件設(shè)置，主要設(shè)置計算初始參數(shù)。 具體操作如下： 1、將Ini

16、tial Conditions設(shè)置為User Specified；IC Applied選擇為 Volume by Volume。 2、 由于2號域和3號域都為空氣流體域，所以兩者可以共同設(shè)置，同時選擇2號和3號域。 需要對其進行Shared、Flow、Turb三部分設(shè)置，其設(shè)置方法與邊界條件設(shè)置中的入口設(shè)置相同，如下圖所示： 3、選擇1號域。 Shared設(shè)置面板為 Stress設(shè)置面板為：備注：如果計算需要從已有的計算結(jié)果開始計算則需要將Initial Conditions設(shè)置為Previous Solution，同時選擇上Append Residual File 和Append Outpu

17、t File，然后在Restart Filename中添加初始計算文件，如下圖所示7、選擇設(shè)置面板中的SC選項 SC(solver control)為計算控制設(shè)置，其主要調(diào)節(jié)計算步數(shù)，收斂標準，松弛因子等計算參數(shù)，通過設(shè)定，可以根據(jù)不同的算例得到準確的模擬仿真結(jié)果。SC設(shè)置主要分為：Iter Spatial Solvers Relax Limis Adv 。因為本算例無需設(shè)置過多下面只介紹Iter和Relax兩個設(shè)置方法，其余設(shè)置均保持默認就能達到本算例的計算要求。 Iter設(shè)置面板如下，主要設(shè)置最大計算迭代步數(shù)，和收斂標準，根據(jù)本算例實際情況我們設(shè)置Max. Iterations為10000

18、步，Convergence（收斂）Crit為0.001， Min. Residual（殘余誤差） 為 1E-08。 Relax設(shè)置面板如下，其主要是調(diào)節(jié)松弛因子，當收斂曲線收斂不明顯時可進行調(diào)節(jié)松弛因子，如下圖，如果將箭頭都向上調(diào)節(jié)，則收斂性就會改善。8、選擇設(shè)置面板中的OUT選項 OUT為輸出設(shè)置，主要控制仿真計算結(jié)果的輸出控制，其中菜單包含如下圖所示 。 由于本算例輸出設(shè)置只涉及General、Graphic兩部分，所以針對此兩部分進行講解。 General設(shè)置版面如圖，Output By設(shè)置為Iteration；Interval Options設(shè)置為Specified Interval（固定間隔）；由于本算例需要對沒間隔100步進行結(jié)果分析，所以選中Unique File；設(shè)置Every 為100。 Graphic為輸出結(jié)果控