山区峡谷桥址处风场实测与数值模拟研究

《山区峡谷桥址处风场实测与数值模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、山区峡谷桥址处风场实测与数值模拟研究摘要：为准确模拟山区峡谷桥址处的三维紊流风场，以澧水大桥所在峡谷为工程背景，将现场实测风场用谐波合成法进行等效处理生成了满足峡谷风场特性的随机来流，然后基于对Fluent的二次开发，将生成的随机来流赋予大涡模拟的入口边界。通过对比本文方法和无脉动入口计算结果发现，本文方法更能体现山区峡谷风场的真实流态，最后在本文方法基础上对不同风向角作用下的山区峡谷桥址处风场进行了数值模拟，得到了峡谷桥址处风场的详细分布特性，可为山区峡谷地形紊流场精细化数值模拟提供参考。关键词：山区峡谷；谐波合成；现场

2、实测；脉动风速;大涡模拟中图分类号：TU311.3文献标识码：A随着国民经济的高速发展，越来越多的大跨度桥梁建成并投入使用。在复杂的峡谷地区，由于地形起伏大、地貌多样，风环境极为复杂，平原、海洋地区通常使用的各向同性地貌条件对山区峡谷地区风场的描述不再适用。桥址处风场受周边山体影响，有显著的非定常效应，风场脉动剧烈，紊流风引起的风致振动问题相比于跨江、跨海桥梁更显突出，而目前人们对这些地区的脉动风场分布研究还相对较少，现有研究数据还不足以形成规范性的条文。因此，加强对山区峡谷桥址处的风特性认识已成为了广大研究者关注的焦点问

3、题之一。目前，对山区峡谷风场的研宄手段主要有现场实测、风洞实验和数值模拟。现场实测是对峡谷风场研究最为直接和有效的方法，许多学者对其展开了工作，本文以澧水大桥所在峡谷为研宄背景，用现场实测的方法对桥址所在峡谷进行了风速监测，然后运用谐波合成法将现场实测风场进行等效处理后赋给数值模拟的人口边界。现场实测据虽然可为数值模拟和风洞实验提供宝贵的参考，但是其不足的是实验条件难以控制、投资较大、管理维护困难、监测周期长。与现场实测相类似，风洞实验也是山区峡谷风场研究的重要手段，风洞实验虽然具有多工况、可重复等优点，但由于物理风洞本身

4、尺寸的限制，对于大区域山体地形，即使将风洞试验模型比例缩小到最小尺度，在模型边界上仍然会出现人为的峭壁，同时，也无法保证来流入口边界条件与实际情况一致，从而导致结果失真，特别是在大比例模型试验中变换风向角时的计算准确性尤其值得商榷。相比现场监测和风洞实验，计算流体动力学方法发展很快，已被越来越多的研宄者所应用。由于数值模拟不受时间和空间限制，具有可重复、消耗人力物力资源少等优点，许多学者对其展开了研究。对于复杂山区峡谷风场，CFD虽然具备模拟大区域地形的优势，但依然存在一系列问题，如人口边界的合理给定问题，针对该问题的研宄

5、，Maurizi等用1/10的斜坡作为气流过渡段来处理入口边界峭壁问题，但其斜坡形式较为简单，适用性有待验证；胡朋等采用曲线过渡段的办法对峡谷人口进行处理，不足的是这种办法会引起人为的来流风攻角。相比平原或洋面风场，山区地形风场的值模拟涉及分离流、高雷诺数湍流和强三维流动等复杂的空气流动，其核心是湍流问题。上述学者用雷诺平均湍流模型对其进行研究，其时均化过程中丢失了大量的脉动信息。目前普遍认为比较有潜力的大涡模拟在计算风工程中体现出优越性，但LES的合理脉动人口给定还有待进一步研究，Uchida和Ohya采用大涡模拟的方法

6、对9.5km><5km区域范围内空气流动进行数值模拟，使用粗糙元制造脉动风，但其粗糙元的摆放产生的脉动风场可调性差，与实际的边界条件仍存在一些出入，而正确的人口脉动信息给定是计算结果正确性的重要保证，因此，山区峡谷风场特性数值模拟时人口边界条件中脉动的合理施加是当前数值模拟方法迫切需要解决的关键问题。本文以澧水大桥所在峡谷为研究背景，建立了山区峡谷风场实时监测系统，对桥址上游及桥址附近风场进行了真实有效的记录，基于谐波合成法将监测的实际风场进行等效，通过对商业软件Fluent进行二次开发，较好地处理了山区峡谷风场数值模拟过

7、程中脉动人口给定问题。同时用本文所提方法和无脉动人口计算结果进行对比后发现，本文所用方法更能体现山区峡谷风场的真实流态。最后在脉动人口边界条件基础上对不同风向角作用下的山区峡谷桥址处风场进行了数值模拟。1现场实测1.1工程背景本文以张花高速澧水大桥所在峡谷为研宄背景。桥梁主跨为856m，属典型的山区峡谷大跨径桥梁，桥位所处峡谷谷顶宽420m，谷顶与谷底高差280m，桥位布置如图1所示。1.2风速监测系统澧水大桥风速监测系统由观测站、桥塔站和桥跨站组成。观测站根据盛行风方向设立在桥址西南侧，位于本文数值模拟人口附近，监测站风

8、速仪布置在平坦地区，可认为其风场特性与数值模拟人口接近，其特性可为数值模拟的入口边界条件取值提供参考，风速监测仪布置高度离地面10m,如图2所示。桥跨站由3个Young81000三维超声风速仪组成，布置位置为盛行风方向同侧。桥塔站也沿高度布置了3个Young81000三令S超声风速仪，具体位置如图1所示