近橋位復(fù)線橋錯(cuò)列雙鈍體斷面氣動(dòng)特性分析

近橋位復(fù)線橋錯(cuò)列雙鈍體斷面氣動(dòng)特性分析

0研究方法與理論連續(xù)剛性結(jié)構(gòu)的橋梁通常采用鈍體箱截面，動(dòng)氣性能比線性扁平梁和千鳥(niǎo)梁差。當(dāng)橋附近有一座類似于高度的橋梁時(shí)，地表徑流的動(dòng)力干擾效應(yīng)會(huì)使空氣變得更復(fù)雜。由于構(gòu)件氣動(dòng)力系數(shù)是進(jìn)行橋梁各類風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算的基本參數(shù),因此對(duì)干擾效應(yīng)下斷面氣動(dòng)力系數(shù)的研究顯得較為重要,這類問(wèn)題較早出現(xiàn)于對(duì)串并列雙(多)方柱、圓柱斷面氣動(dòng)干擾的考查上,研究結(jié)果顯示,當(dāng)這些構(gòu)件的間距與單個(gè)構(gòu)件某一特征尺寸比發(fā)生變化時(shí),氣動(dòng)性能與單個(gè)構(gòu)件表現(xiàn)出顯著差異。對(duì)構(gòu)件氣動(dòng)力系數(shù)所采用的研究手段主要為風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌蛳鄬?duì)準(zhǔn)確地得到構(gòu)件靜力氣動(dòng)力系數(shù)及渦顫抖振參數(shù),但難以觀測(cè)到干擾效應(yīng)下的氣流繞流形態(tài);數(shù)值模擬以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)理論為基礎(chǔ),在相對(duì)方便地獲取上述參數(shù)的同時(shí),對(duì)構(gòu)件間氣流的走向與發(fā)展也能做出直觀評(píng)價(jià),有助于研究干擾效應(yīng)作用機(jī)理。數(shù)值模擬方面,陳素琴等使用改進(jìn)的標(biāo)志網(wǎng)格(MAC)方法對(duì)相同尺寸的方柱在不同間距比下的流場(chǎng)進(jìn)行模擬,觀測(cè)得到兩串列方柱阻力不隨間距比連續(xù)變化;樓小峰等采用二階投影法求解二維不可壓縮黏性流體N-S方程,計(jì)算了高雷諾數(shù)(Re)下串列圓柱的非定常繞流,同時(shí)考察和預(yù)測(cè)了鋼管混凝土拱橋啞鈴形拱肋的阻力系數(shù)及渦脫頻率等重要參數(shù)。而上述研究對(duì)象以斷面形式簡(jiǎn)單或氣動(dòng)性能相對(duì)優(yōu)良的流線型主梁斷面為主,斷面尺寸沿展長(zhǎng)不變,且構(gòu)件又多位于同一高度。實(shí)際橋梁受線路設(shè)計(jì)要求及所處地形條件約束,可能出現(xiàn)主梁交錯(cuò)排列的情況,自然風(fēng)風(fēng)向及攻角的隨機(jī)性也使問(wèn)題更為復(fù)雜。另外,橋梁主梁斷面形式多樣,就連續(xù)剛構(gòu)體系橋而言,主梁順橋向連續(xù)變高,斷面復(fù)雜鈍化,在進(jìn)行氣動(dòng)力的CFD計(jì)算時(shí),近壁面低Re區(qū)域黏性亞表層附近的復(fù)雜貼體流態(tài)(如邊界層分離等)將直接影響繞流物體受力(氣動(dòng)力系數(shù)),常用的壁面函數(shù)半經(jīng)驗(yàn)法在處理非流線型復(fù)雜鈍化斷面時(shí)將難以得到令人滿意的計(jì)算結(jié)果。本文采用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù),利用增強(qiáng)壁面模型(EWT)對(duì)不等高程連續(xù)剛構(gòu)橋梁的主梁構(gòu)件靜力氣動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行了非定常分析,考察并對(duì)比了均勻流作用下,位于上游的復(fù)線橋在分別處于迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)時(shí),梁高、風(fēng)攻角、風(fēng)向等因素對(duì)主梁典型斷面三分力系數(shù)的影響。1面水平凈距某跨徑相當(dāng)、斷面設(shè)計(jì)形式相仿(為簡(jiǎn)化分析,本文采用相同的斷面形式)的兩連續(xù)剛構(gòu)橋,其水平中心間距為30m,下游既有橋梁(低位)橋面高程較上游新建復(fù)線橋面(監(jiān)測(cè)斷面)低6.8m。由于箱梁全寬(B1=11.16m)與斷面水平凈距(L=21.5m,從腹板位置算起)之比約為0.52,梁寬超過(guò)凈距1/2,斷面沿橋軸方向連續(xù)變高,水平遮擋面積(錯(cuò)列斷面水平投影重疊高度與單幅斷面全高比)隨里程連續(xù)變化,到達(dá)根部位置時(shí),遮擋面積超過(guò)44.1%,不同里程干擾效應(yīng)有所差別,氣動(dòng)力性能較等截面構(gòu)件復(fù)雜。橫風(fēng)作用下(來(lái)流與橋軸線垂直),氣流沿順橋向具有較小的橫向三維流動(dòng),但考慮到斷面形式鈍化且間距小,主梁間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)將遠(yuǎn)大于各自順橋向流動(dòng)效應(yīng),且在進(jìn)行錯(cuò)列斷面與單幅斷面氣動(dòng)特性差異對(duì)比時(shí),各自順橋向流動(dòng)效應(yīng)也應(yīng)有所抵消,故采用二維條帶假設(shè)忽略了橫風(fēng)的順橋向流動(dòng),選取了3種梁高典型斷面(主跨跨中、根部及1/4主跨),分別考察了不同里程位置的氣動(dòng)繞流干擾特性,各個(gè)計(jì)算斷面尺寸及空間相關(guān)位置如圖1所示。2風(fēng)側(cè)斷面變化及網(wǎng)格劃分分別對(duì)圖1中的3種典型斷面進(jìn)行了單幅及錯(cuò)列雙幅的計(jì)算域網(wǎng)格劃分,為保證入口流場(chǎng)穩(wěn)定及出流區(qū)域流動(dòng)的充分發(fā)展,設(shè)定來(lái)流側(cè)邊界距離斷面腹板上游側(cè)為10×B1,出流側(cè)邊界距斷面腹板下游側(cè)為25×B1,上下邊界分別距離計(jì)算斷面頂板及底板11×D1(B1、D1分別為斷面寬度及高度),各工況計(jì)算區(qū)域見(jiàn)圖2。邊界條件設(shè)定見(jiàn)表1,對(duì)于0°攻角流,進(jìn)口速度設(shè)為U=30m/s,其余攻角情況(±3°,±5°)根據(jù)對(duì)應(yīng)角度將速度沿x,y方向分解為Ux=Ucosα,Uy=Usinα,α為風(fēng)攻角?？紤]風(fēng)向的隨機(jī)性,當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面(高位復(fù)線橋)分別位于迎風(fēng)或背風(fēng)側(cè),共計(jì)入了3種斷面排列形式下(包括單幅斷面)各5種攻角,共15種計(jì)算工況。計(jì)算斷面采用無(wú)滑移壁面,空氣密度為1.225kg/m3。由于斷面鈍化,流動(dòng)分離點(diǎn)一般較為固定,對(duì)斷面進(jìn)行原型及1∶10縮尺后3種不同風(fēng)速(10、20、30m/s)的定常驗(yàn)證計(jì)算顯示,Re效應(yīng)不明顯,縮尺后斷面的Re約為2.232×106。對(duì)于外形鈍化的復(fù)雜斷面,網(wǎng)格劃分的精度將直接影響近壁面流動(dòng)情況從而決定數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可信度。對(duì)近壁面流動(dòng)的處理方法通常分為2類,即壁面函數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)方法和增強(qiáng)壁面模型。由于后者將湍流模型在內(nèi)層上進(jìn)行修正,采用低Re模型進(jìn)行邊界層黏性力影響區(qū)域的直接求解,對(duì)具有復(fù)雜近壁面流動(dòng)的現(xiàn)象更為適應(yīng),但需要足夠精細(xì)的近壁面網(wǎng)格劃分為代價(jià)。本計(jì)算采用壁面增強(qiáng)處理取代常用的壁面函數(shù)方程進(jìn)行高精度邊界層流動(dòng)情況模擬,網(wǎng)格劃分采用分塊式結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。第1層網(wǎng)格高度初始值的選取采用美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)提供的開(kāi)放技術(shù)進(jìn)行估算,待首次計(jì)算穩(wěn)定后,以y+值(<5)為目標(biāo)值進(jìn)行反復(fù)微調(diào),最終選定各斷面貼近壁面第1層網(wǎng)格高度約為0.0125mm,計(jì)算壁面邊界層網(wǎng)格數(shù)量大于20層,網(wǎng)格高度向外逐漸放大,擴(kuò)散因子取1.02,各單雙幅斷面計(jì)算域中網(wǎng)格數(shù)量為3.8×105~4.8×105不等,網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖3。采用CFD商業(yè)軟件FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬,選擇壓力基求解器,由于計(jì)算斷面具有典型的鈍體分流特點(diǎn),已有研究表明,SSTk-ω湍流模型在使用混合函數(shù)從壁面附近的標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型逐漸過(guò)渡到邊界層外部的高Rek-ω模型時(shí),較傳統(tǒng)的k-ε模型要更適應(yīng)于具有逆壓梯度流動(dòng)或分離流動(dòng)的情況,故計(jì)算選用近壁面低Re的SSTk-ω湍流模型進(jìn)行求解。壓力與速度耦合采用SIMPLEC算法,動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程及湍流耗散率方程均采用二階迎風(fēng)離散格式,計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為5×10-4s,步長(zhǎng)迭代次數(shù)取為30,計(jì)算結(jié)果平穩(wěn)后取平均值計(jì)算氣動(dòng)力系數(shù)。3計(jì)算結(jié)果和分析3.1壁面網(wǎng)格精細(xì)程度的測(cè)試式中,U為來(lái)流平均風(fēng)速;FD為體軸系下斷面阻力;FL為體軸系下斷面升力;ρ為空氣密度;B1、D1分別為各自斷面全寬及全高;L為長(zhǎng)度,本文中取L=1.0m。對(duì)靜力氣動(dòng)力系數(shù)的監(jiān)測(cè),阻力以向右為正,升力以向上為正,力矩方向滿足右手法則,即以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為正。物體繞流的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與壁面流動(dòng)情況直接相關(guān),近壁面低Re流動(dòng)由內(nèi)向外主要分為黏性底層、過(guò)渡層和對(duì)數(shù)律層,黏性底層及壁面網(wǎng)格精細(xì)化程度通常采用距離的無(wú)量綱參數(shù)y+來(lái)衡量和評(píng)價(jià):式中,Δy為第1層網(wǎng)格高度;μ是動(dòng)力黏性系數(shù);τw為壁面切應(yīng)力。一般而言,近壁面網(wǎng)格越精細(xì),y+值越低,計(jì)算精度越大,但更小的y+值卻并不能提供更多的計(jì)算精度。VersteegHK曾推薦以y+=11.6作為黏性底層與對(duì)數(shù)律層的分解高度,這里采用FLUENT進(jìn)行低Re的壁面增強(qiáng)直接求解時(shí),推薦y+值應(yīng)小于5且盡可能≈1,計(jì)算穩(wěn)定后的單雙幅斷面壁面y+值分布情況見(jiàn)圖4、圖5。如圖4所示,在給定網(wǎng)格劃分情況下,單幅斷面除翼板迎風(fēng)向部分壁面出現(xiàn)少數(shù)略大于1的情況,其余壁面y+值分布均接近1,監(jiān)測(cè)斷面位于背風(fēng)側(cè)(雙幅)時(shí)(圖5),背風(fēng)向腹板位置出現(xiàn)一定程度y+值的離散,引起壁面整體y+值均值增大至1.9。但由于該處腹板不受氣流直接作用且尾流對(duì)其影響不大,總體而言,單雙幅斷面近壁面網(wǎng)格劃分下的y+值分布情況合理(<5)且與目標(biāo)值較為吻合,選用增強(qiáng)壁面的低Re模型直接求解壁面流動(dòng)有效。3.2梁高、梁高不同斷面的進(jìn)行分表2給出了0°攻角下三種梁高斷面在單、雙幅(監(jiān)測(cè)斷面位于背風(fēng)側(cè))情況下的三分力系數(shù)。由式(1)將各斷面阻力系數(shù)進(jìn)行換算后,單幅斷面阻力隨梁高增大單調(diào)遞增;而監(jiān)測(cè)斷面位于背風(fēng)側(cè)時(shí),干擾效應(yīng)下,各斷面換算阻力隨梁高的增大先減小后遞增。這種現(xiàn)象可能由雙幅斷面遮擋面積隨梁高的改變所致?？缰?2-52斷面遮擋面積為0,因此0°攻角下后方監(jiān)測(cè)斷面阻力的減小程度為0.50,相對(duì)梁高較大的43-43,31-31斷面小。單幅斷面換算升力隨梁高的變化未表現(xiàn)出明顯規(guī)律,但方向始終向上,這與斷面外形有關(guān)。頂板翼緣的存在一方面在來(lái)流側(cè)翼板與腹板夾角處形成托舉力,同時(shí)寬頂板的流動(dòng)重附著點(diǎn)相對(duì)底板更靠前,頂板處平均壓強(qiáng)較小,升力始終向上。而受到干擾的背風(fēng)側(cè)監(jiān)測(cè)斷面,隨著斷面高度的變化,升力大小及方向均發(fā)生改變,這是由于前方低位構(gòu)件的阻擋對(duì)后方監(jiān)測(cè)斷面頂?shù)装辶鲃?dòng)的擾動(dòng)所致,隨著梁高及遮擋面積的增大,頂板壓強(qiáng)逐漸大于底板,升力方向改變。單幅斷面換算力矩大小隨斷面高度增大而增大,各系數(shù)均為負(fù)表明構(gòu)件在風(fēng)的作用下有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì),這與流動(dòng)在斷面左上方翼緣與腹板夾角處形成的集中靜壓力有關(guān)。隨著梁高的增大,集中靜壓對(duì)斷面形心求矩的偏心距越大,力矩值越大。監(jiān)測(cè)斷面位于背風(fēng)側(cè)時(shí),3種高度斷面力矩值均大于對(duì)應(yīng)梁高單幅斷面,這是由于前方低位構(gòu)件的阻擋使得監(jiān)測(cè)斷面左上方靜壓集中程度更高所致。隨著斷面高度增加,遮擋面積逐漸增大,對(duì)于較高斷面,靜壓零點(diǎn)位置逐漸上移(圖6),迎風(fēng)側(cè)腹板以下大范圍負(fù)壓促使了斷面扭矩的進(jìn)一步增大,同時(shí),平均正高壓區(qū)中心距離斷面形心更遠(yuǎn),不均勻的壓強(qiáng)分布使得彎矩作用更大,因此力矩系數(shù)絕對(duì)值較大。3.3正攻角范圍內(nèi)傳播的速度特性圖7為1/4主跨斷面(43-43)位于背風(fēng)側(cè)時(shí),5種來(lái)流攻角下的靜力氣動(dòng)力系數(shù)。由圖7可見(jiàn),阻力系數(shù)在0°攻角取得最小值,這主要與斷面外形及特定梁高下的構(gòu)件交錯(cuò)布置情況有關(guān),隨著正攻角的增大,遮擋效應(yīng)逐漸顯著,位于背風(fēng)側(cè)的監(jiān)測(cè)斷面所受作用力小于對(duì)應(yīng)的負(fù)攻角情況。升力系數(shù)隨攻角的變化規(guī)律與阻力系數(shù)大致一致。除受到一定程度的前方斷面遮擋影響外,升力系數(shù)曲線在負(fù)攻角范圍的負(fù)斜率主要與頂板剪切流層高度有關(guān),隨攻角減小而減小且始終低于底板有關(guān)。正攻角范圍內(nèi),由于受前方低位構(gòu)件影響相對(duì)顯著,攻角較大時(shí),升力系數(shù)曲線開(kāi)始下降。力矩系數(shù)基本呈現(xiàn)隨攻角的增大而遞增的規(guī)律,這是由于受到風(fēng)向及翼緣板作用,力矩始終為順時(shí)針?lè)较?負(fù)值),而攻角的增大使得前方構(gòu)件干擾影響逐漸顯著,從而削弱了后方監(jiān)測(cè)斷面左上方翼緣附近的集中力,力矩減小,系數(shù)增大。圖8為不同攻角來(lái)流下的監(jiān)測(cè)斷面(43-43)時(shí)均流速跡線分布圖。隨著攻角增大,遮擋效應(yīng)逐漸顯著,原本存在于錯(cuò)列雙斷面間的大渦出現(xiàn)了破裂。同時(shí),流動(dòng)在迎風(fēng)向腹板翼板附近的分流點(diǎn)位置不再受翼板尖嘴的分、導(dǎo)流主導(dǎo)影響,時(shí)均靜壓駐點(diǎn)出現(xiàn)至腹板頂部,流態(tài)隨攻角的變化規(guī)律在其他梁高情況下得到相似體現(xiàn)。由于不同攻角下順風(fēng)向間距比均未超過(guò)臨界值,前方斷面渦街始終處于被抑制狀態(tài),導(dǎo)致后方斷面底板附近渦態(tài)存在顯著差異。3.4背風(fēng)側(cè)接觸狀態(tài)為考查風(fēng)向的影響,圖9給出了復(fù)線橋(監(jiān)測(cè)斷面)位于迎風(fēng)側(cè)時(shí),43-43斷面在不同風(fēng)攻角下的三分力系數(shù)。如圖9所示,當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面位于迎風(fēng)側(cè)時(shí),干擾效應(yīng)下的阻力系數(shù)隨攻角變化規(guī)律較監(jiān)測(cè)斷面位于背風(fēng)側(cè)時(shí)差異顯著,阻力系數(shù)隨攻角的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于構(gòu)件阻力系數(shù)同時(shí)受到前后方向流動(dòng)情況的影響,在負(fù)攻角情況下,后方斷面對(duì)監(jiān)測(cè)斷面尾流影響較正攻角顯著,尾流的發(fā)展受到限制,因此阻力系數(shù)較大。升力系數(shù)整體呈現(xiàn)負(fù)斜率,與單幅斷面升力系數(shù)隨攻角變化規(guī)律一致,這說(shuō)明后方斷面的存在對(duì)于前方斷面升力影響不顯著。升力系數(shù)隨攻角增大而減小主要與頂?shù)装迤骄羟辛鲗雍穸茸兓嘘P(guān)。力矩系數(shù)平均值隨攻角的變化規(guī)律與監(jiān)測(cè)斷面位于背風(fēng)側(cè)一致,這可能是由于較大負(fù)攻角情況下,后方構(gòu)件對(duì)監(jiān)測(cè)斷面尾流的阻塞引起了監(jiān)測(cè)斷面順時(shí)針作用力,而正攻角情況下,底板尾流的相對(duì)充分發(fā)展將削弱順時(shí)針作用力。4干擾效應(yīng)與升力系數(shù)通過(guò)對(duì)單、雙幅錯(cuò)列復(fù)雜斷面進(jìn)行靜力氣動(dòng)力分析,主要得出以下結(jié)論:(1)受斷面高度影響,單幅斷面阻力(系數(shù))及力矩(系數(shù))總體滿足隨梁高增大而遞增的規(guī)律,受斷面外形影響,力矩方向始終為順時(shí)針?lè)较颉?2)受遮擋面積影響,監(jiān)測(cè)斷面位于背風(fēng)側(cè)時(shí),阻力系數(shù)干擾效應(yīng)以遮擋面積最小的跨中52-52斷面最小(0.5),斷面迎風(fēng)側(cè)腹板負(fù)壓區(qū)隨著遮擋面積的增大逐漸增大,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更為顯著;升力方向隨著梁高變化發(fā)生改變。(3)受來(lái)流攻角影響,干擾效應(yīng)下,背風(fēng)側(cè)監(jiān)測(cè)斷面在負(fù)攻角下所受阻力較對(duì)應(yīng)正攻角大,主要和斷面相對(duì)位置有