范例10cfd桥梁的二维cfd分析

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1、▨实际工程1.分析目的通过对桥梁截面的二维流体动力分析(CFD，ComputationalFluidDynamics)，分析桥梁截面对气流的响应，从而保证桥梁的抗风安全性。2.分析方法2.1基本事项假设气流是非定常流(非稳定流)、不可压缩流、是具有一定特性的流体。支配方程使用了不可压缩流体的连续方程式和运动方程式(Navier-Stokes方程式)。数值分析中使用的边界条件和特性值如下。(1)流动入口：U=10m/s(均匀分布的层流)(2)流动出口：压力不变(3)上下面：滑移条件(slipcondition)(4)桥梁壁面：粘结条件(nosli

2、pcondition)(5)采用流体：空气(密度=1.225kg/㎥,粘度=1.7894×10-05kgm-1s-1)(6)数值模型:midasFEA[midasFEA二维桥梁截面CFD分析网格][网格细分状况]2.2湍流模型湍流模型采用Smagorinsky(1963)提出的大涡模拟(LES，LargeEddySimulation)模型。因为在桥梁角部和其它位置会形成各种涡流，即使接近流的流动条件相同，风力的振动也会非常复杂。为了分析涡流的动力特性，采用了可以推测湍流随时间变化的LES模型。LES模型与雷诺平均湍流模型(ReynoldsAve

3、rageModel)相比，在计算流线变化比较大的截面时，如桥梁截面(钝体，bluntbody)的周边湍流流动场时，计算结果会更准确一些。3.分析结果3.1涡流振动的频谱分析1)气动力系数(1)为了确定涡流振动的发生状况以及振动频率，需要定义桥梁表面上的阻力系数(CD，DragCoefficient)和升力系数(CL，LiftCoefficient)。在此，Fx和Fy分别为阻力和升力，LV和LH分别是与流动方向垂直的桥梁截面的长度即梁高和与流动方向平行的长度即梁宽(Lv=3.9m，LH=25.6m)。ρ是密度(=1.225kg/m3)，U是接近流

4、的风速(=10m/s)。(2)如下图所示，阻力系数和升力系数的时间变化历程虽然比较复杂，但是在特定的周期下在做有规则性的振动。在计算阻力系数和升力系数的时间平均值时，可将前10秒忽略，将其视为气动力在达到稳定状态前的状态。阻力系数和升力系数的时间平均值如下：阻力系数(CD)：0.820升力系数(CL)：-0.170本例题中采用的是实际风洞试验的模型，程序计算得到的阻力系数和升力系数与试验得到的阻力系数(0.848)和升力系数(-0.151)相比，误差很小。[桥梁截面的阻力系数][桥梁截面的升力系数]3.2压力分布作用在桥梁截面上的阻力和升力的大

5、小以及振动特性与桥梁周边的压力分布相关。下图是桥梁周边的压力场从80秒到88秒按1.0秒间隔的变化图(部分)。可以看出涡流(压力较小的部分，在图中用绿色表示)发生在桥梁截面的迎风面的上下角，并随着气流的流动按大致相同的间距释放着脱落。持续产生大规模涡流的位置在迎风面的上下端角部。也就是说对桥梁整体(二维截面)的升力和阻力特性最敏感的是角部的形状。在桥梁迎风面上下端角部发生的涡流的大小和脱落周期虽然具有一定的规则性，但是相互关联并不明显。在上下角部发生的涡流将影响桥梁整体的升力和阻力。与桥梁截面前端的较高压力分布区域(红色)具有一定连续性的特性相

6、反，在截面的上下端产生的低压力分布的涡流具有形成-增长-脱落的周期性特性。在桥梁截面的尾流区域释放的涡流间距大致相同，这是因为涡流周期比较固定以及接近流的风速没有变化的原因。在下游随气流移动的涡流的大小虽然不相同，但是形状相似。压力场中的涡流形状一般成圆形。[随时间变化的压力场分布]3.3涡度和速度分布与压力分布相同，下图显示的是从80秒到88秒之间以1.0秒为间隔的桥梁截面周边的涡度分布的连续变化。在桥梁尾部显示出涡流(vortex)周期性的增长和脱落，桥梁上部的压力增加造成桥梁产生负的升力。涡流的大小在流动上游的停滞区域、桥梁上下部形状变化

7、位置、桥梁的下游结束位置最大。这种现象是由形状阻力造成的流动的剥离引起的，在上下端生成的正负涡度形成圆形涡流(vortex)并形成尾流。符号相反的涡流在结构物的后面形成长长的卡门涡街(Karmanvortexstreet)。[随时间变化的涡度分布的变化][特定时间的速度分布]▨验证例题1.验证概要本验证例题为midasFEA的计算流体分析例题。本例题由简单形状的圆柱体问题和两个任意桥梁截面的共三个问题组成。圆柱体问题介绍的是层流(laminar)在雷诺数Re>40时发生非定常流动。非定常流动是流动的剥离引起涡流(vortex)脱落造成的，验证例

8、题将对程序和文献中的涡流脱落频率和气动力系数的振幅数据进行比较。桥梁截面的流动分析中使用了湍流模型，在桥梁的两端或者上部附属结构上发生的涡流会造成气动