基于fluen的大跨度橋梁抗風(fēng)數(shù)值模擬

基于fluen的大跨度橋梁抗風(fēng)數(shù)值模擬

在橋抗風(fēng)研究中，阻力系數(shù)cd、升力系數(shù)cl和升力系數(shù)cm是振動(dòng)振動(dòng)響應(yīng)分析、振動(dòng)衰減穩(wěn)定性分析和振動(dòng)負(fù)荷穩(wěn)定性分析的重要參數(shù)。三大因素的值直接影響橋抗風(fēng)分析的精度。由于橋梁斷面形狀及自然風(fēng)特性的復(fù)雜性,到目前為止還不能用數(shù)學(xué)解析方法精確描述風(fēng)對(duì)橋梁的作用,只能制作一定縮尺比的節(jié)段模型,通過風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)定靜力二分力系數(shù)來(lái)描述風(fēng)對(duì)橋梁的靜力作用,而三分力系數(shù)的獲取用試驗(yàn)方法具有周期長(zhǎng)、成本高、不能進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)暴雨模擬等缺點(diǎn)。CFD(ComputationalFluidDynamics)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是一門用數(shù)值計(jì)算方法直接求解流體主控方程以發(fā)現(xiàn)各種流動(dòng)現(xiàn)象規(guī)律的學(xué)科。CFD數(shù)值模擬技術(shù)作為一種新型的研究方法為獲取橋梁斷面靜力二分力系數(shù)提供了一種較為簡(jiǎn)便、快捷、準(zhǔn)確、低成本的途徑,在用于工程方案階段的預(yù)研、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案等方面都是一種較為安全穩(wěn)妥的思路。橋梁的主梁斷面的選型對(duì)整個(gè)橋梁的抗風(fēng)性能影響很大,所以,大跨度橋梁主梁斷面的氣動(dòng)選型是其抗風(fēng)設(shè)計(jì)與研究的一個(gè)十分重要的問題。目前,橋梁主梁的斷面形式一般可以歸納為:流線形和非流線形兩種,它們的氣動(dòng)力行為有很大的區(qū)別。流線形斷面的氣動(dòng)力穩(wěn)定性較好,而非流線形斷面的氣動(dòng)力穩(wěn)定性較差。1空間場(chǎng)的模擬計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示,對(duì)包含有流體流動(dòng)與熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD的基本思想可以歸結(jié)為:把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng),用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替,通過一定的原則和方式,建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組,然后求解代數(shù)方程組,獲得場(chǎng)變量的近似值。CFD可以看作是在流體基本方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程)控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬。通過這種模擬可以得到極其復(fù)雜的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置的基本物理量(如速度、壓力、溫度等)的分布,以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況。2靜力產(chǎn)業(yè)模型在速度為V的流體中橋梁斷面將受到順橋向的力FD和橫橋向的力FL以及流動(dòng)引起的靜力矩FM的作用,如圖1所示,按體軸坐標(biāo)系作用于橋梁斷面上的靜力二分力系數(shù)為:式中:U為來(lái)流風(fēng)速;ρ為空氣質(zhì)量密度,取1.225kg/m3;B為參考寬度,對(duì)于箱梁取其頂板的寬度(包括翼緣板);L為節(jié)段的長(zhǎng)度,即風(fēng)洞內(nèi)的測(cè)力模型高度;FD、FL、FM為風(fēng)軸坐標(biāo)下靜風(fēng)阻力、靜風(fēng)升力和靜風(fēng)升力矩。3采用不同箱梁斷面形式為了研究不同斷面類型的箱梁斷面在風(fēng)荷載作用下的靜力三分力系數(shù)的規(guī)律,本文采用三種不同的箱梁斷面形式,采用相同的頂板寬度和相同的梁高,采用ANSYS13.0中的Fluent,對(duì)鈍頭型箱形截面,帶斜腹板箱形截面和扁平流線形箱梁截面進(jìn)行數(shù)值模擬。3.1帶斜腹板箱梁鈍頭型箱梁頂板、底板寬為1200cm,梁高350cm;帶斜腹板箱梁頂板寬1200cm,底板寬490cm,梁高350cm;扁平流行形箱梁截面斷面中部寬1200cm,頂板底板寬650cm,梁高350cm,如圖2～圖4所示。3.2數(shù)值模擬結(jié)果及分析本文的數(shù)值模擬以三種不同箱梁為斷面形式,先采用適當(dāng)?shù)男问竭M(jìn)行網(wǎng)格處理,然后對(duì)風(fēng)攻角包括從-3°～+3°共7個(gè)整數(shù)度風(fēng)攻角工況進(jìn)行模擬,模擬風(fēng)速V=30m/s。模擬結(jié)果包括主梁阻力系數(shù)、升力系數(shù)、升力矩系數(shù)。對(duì)斷面1/40縮尺模型在不同風(fēng)攻角下的情況進(jìn)行二維建模分析,采用ANSYSCFD13.0為計(jì)算平臺(tái),采用其中的ICEM建立模型,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后采用ANSYS中的Fluent模塊進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算域取為16B×24B的矩形(B為主梁跨中斷面模型寬,B=0.35m),計(jì)算域進(jìn)口到主梁斷面中心距離為8B,出口至截面中心距離為16B,上下距截面中心各為8B,計(jì)算區(qū)域?yàn)?.1m×1.4m。如圖5所示。3.3速度進(jìn)口邊界條件計(jì)算采用二維定常(Steady)分離式求解器(SegregatedSolver),選取k-ω兩方程模型的改進(jìn)型SST湍流模型,湍流強(qiáng)度取0.5%,湍動(dòng)黏性系數(shù)取10。材料采用的介質(zhì)空氣,密度1.225kg/m3,分子黏度系數(shù)1.7894,速度取V=30m/s,對(duì)應(yīng)計(jì)算模型的雷諾數(shù)為6.2×105。0°攻角來(lái)流取入口邊界為30m/s的速度進(jìn)口邊界條件,出口取壓力出口邊界條件,上下邊界及箱梁斷面取無(wú)滑移壁面邊界條件。非0°攻角時(shí)將上下邊界條件均改為速度進(jìn)口邊界條件。鈍頭型箱梁:Cells數(shù)目為6057個(gè),Faces數(shù)目為12104個(gè),Nodes數(shù)目為6047個(gè);帶斜腹板箱梁:Cells數(shù)目為6560個(gè),Faces數(shù)目為13093個(gè),Nodes數(shù)目為6533個(gè);扁平箱梁:Cells數(shù)目為6605個(gè),Faces數(shù)目為13171個(gè),Nodes數(shù)目為6566個(gè)。鈍頭型箱梁、斜腹板箱梁、扁平箱梁的網(wǎng)格劃分如圖6～圖8所示。3.4結(jié)構(gòu)內(nèi)部分內(nèi)速度分布通過計(jì)算,我們可以得到在風(fēng)攻角下的壓強(qiáng)、速度分布云圖,還可以提取三分力系數(shù)。鈍頭型、斜腹板、扁平箱梁的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)云圖、速度云圖,如圖9～圖14所示。對(duì)于鈍頭型箱梁:從斷面0°風(fēng)攻角壓強(qiáng)云圖可以看出,斷面迎風(fēng)面為正風(fēng)壓,而且數(shù)值較大,側(cè)面(上側(cè)和下側(cè))和背風(fēng)面一小段范圍內(nèi)為負(fù)風(fēng)壓,而且數(shù)值較小,在斷面附近,風(fēng)壓較小,而在離斷面較遠(yuǎn)處,風(fēng)壓較大,在斷面?zhèn)让婧捅趁娉霈F(xiàn)漩渦,而后慢慢脫落;在斷面上側(cè)和下側(cè),漩渦脫落的位置,出現(xiàn)整個(gè)計(jì)算區(qū)域的最大風(fēng)壓,從斷面0°風(fēng)攻角速度云圖可知,由于鈍頭型箱梁腹板的阻力作用,斷面周圍速度分布較小,在斷面上側(cè)和下側(cè)一部分位置,速度分布較大,在斷面后方,速度分布也相對(duì)較小,在漸漸遠(yuǎn)離斷面的過程中,慢慢出現(xiàn)速度漩渦,并脫落。對(duì)于帶斜腹板箱梁:從壓強(qiáng)云圖可看出,包圍著斷面附近的區(qū)域風(fēng)壓較小,但沒出現(xiàn)負(fù)風(fēng)壓。在斷面后面一段距離范圍內(nèi),風(fēng)壓分布也相對(duì)較小,在斷面上側(cè)和下側(cè)風(fēng)壓分布較大,并出現(xiàn)漩渦。從速度云圖可以看出,由于箱梁腹板的阻力作用,在斷面周圍一段區(qū)域,尤其是在斷面后邊,速度分布較小,也有地方速度分布為0,在斷面上側(cè)和下側(cè)速度分布較大。與鈍頭型箱梁斷面壓強(qiáng)與速度分布有些相似,但是沒有負(fù)風(fēng)壓,但是,較鈍頭型箱梁斷面而言,斜腹板箱梁斷面壓強(qiáng)和速度分布要相對(duì)均勻一些。對(duì)于扁平箱梁:壓強(qiáng)和速度分布規(guī)律與鈍頭型型箱梁斷面,斜腹板箱梁斷面有些相似,但是由于扁平箱梁側(cè)面腹板相當(dāng)于導(dǎo)流板,所以,整個(gè)流場(chǎng),壓強(qiáng)和速度的分布相對(duì)均勻一些。這樣,斷面受風(fēng)壓和速度的影響就小得多,從這可以看出,扁平流線形箱梁斷面對(duì)橋梁抗風(fēng)是十分有利的。另外,從上述的壓強(qiáng)、速度、湍流強(qiáng)度等云圖和等值線圖我們可以初步了解橋梁所在區(qū)域的風(fēng)的流場(chǎng)情況,可以指導(dǎo)我們優(yōu)化設(shè)計(jì)梁的斷面選型。通過提取有限元數(shù)值模擬計(jì)算中的斷面三分力系數(shù)可以為初步設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù),比風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)省時(shí)省力,又經(jīng)濟(jì)。由式(1)～式(3)可知,CD、CL、CM與FD、FL、FM分別成正比關(guān)系,所以CD、CL、CM越大,FD、FL、FM也會(huì)越大,這樣斷面的氣動(dòng)穩(wěn)定性也就越差。從表1可以看出,隨著風(fēng)攻角的增大,三分力系數(shù)的絕對(duì)值都有增大的趨勢(shì),而且從整體上看,扁平箱梁三分力系數(shù)的絕對(duì)值一般要小于斜腹板箱梁三分力系數(shù)的絕對(duì)值,斜腹板箱梁三分力系數(shù)的絕對(duì)值一般小于鈍頭型箱梁三分力系數(shù)的絕對(duì)值。當(dāng)然,由于計(jì)算機(jī)模擬多次存在誤差,并不是所有三分力系數(shù)的絕對(duì)值都符合這個(gè)規(guī)律,但是,在0°風(fēng)攻角下,三分力系數(shù)的絕對(duì)值基本上符合上述規(guī)律,三分力系數(shù)的絕對(duì)值越小,在強(qiáng)風(fēng)作用下,橋梁所受的三分力就越小,這樣橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性就越好。4cfd結(jié)果分析CFD技術(shù)的發(fā)展為橋梁風(fēng)工程的研究提供了一種新的手段,既節(jié)省大量的人力資源又節(jié)約了反復(fù)試驗(yàn)要消耗的大量時(shí)間,日前作為風(fēng)洞試驗(yàn)的輔助乎段越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于大跨度橋梁的斷面選型、靜力和動(dòng)力