山区桥梁桥址风环境数值风洞研究

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1、山区桥梁桥址风环境数值风洞研究徐洪涛，马存明，马顺康，张慎旭61山区桥梁桥址风环境数值风洞研究徐洪涛，马存明。，马顺康，张慎旭(1．北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京100191；2．西南交通大学风工程试验研究中心’，四川成都610031)摘要：为确保山区桥梁的抗风稳定性和安全性，根据计算流体动力学(CFD)基本原理，采用基于RNG、k一￡方程湍流模型的数值研究方法，利用计算流体力学软件FLUENT6．0对坝陵河特大桥桥址风环境进行了数值模拟，研究了桥位风场的特征状况。通过引入风速放大系数这一表征考察点与边界人口风速关系的无量纲参数得到16个不同

2、来流风向下考察点的风速分布情况，并将桥位水平方向(横桥向和顺桥向)平均风速计算值与试验结果进行比较分析。结果表明：当来流风与桥位正交时，风速放大效应最明显；CFD计算结果与风洞试验结果存在一定的偏差，但在整体趋势上与试验结果吻合较好。＼关键词：桥梁工程；风荷载；风速；数值计算中图分类号：U441．2文献标志码：A文章编号：1671—7767(2011)03—0061一O41引言以实现的条件，如雷诺数问题。正因为有这么多优我国是一个多山的国家，山区桥梁的大规模修点，CFD方法己大跨步地应用于工程实际，并与风建，使得山区桥梁抗风问题的重要性日益突出。山工程

3、相结合，诞生了计算风工程这一学科，并被形象区桥梁抗风是风工程研究的难点，这是一个涉及风地称为数值风洞技术。数值风洞技术作为结构风工特性、桥梁结构本身特性以及二者相互作用的多学程研究的重要方向之一，尽管还处在起步阶段，但却科问题。显示了蓬勃生机L7。坝陵河大桥地处山区，跨越峡谷，桥址风环境复以坝陵河特大桥为例，利用FLUENT软件对杂，针对这一特点，为确保大桥的抗风稳定性和安全桥址风特性进行数值模拟，主要研究桥位风场分布。性，西南交通大学风工程试验中心围统该桥的抗风2．1计算原理和方法设计问题做了系统的计算分析以及风洞试验研数值风洞的核心内容是计算流体力

4、学，因为在究，引。同济大学川]、湖南大学·和长安大学t]大气边界层中流动的都是湍流，因此近年来发展了也在山区风特性研究上做了很多工作。一些湍流计算模型，比较常用的是标准k—e模型，其基本方程见文献It1]。2CFD数值模拟技术标准k—e模型在理论研究和实际应用方面都计算机数值模拟是在计算机上对研究对象周围已经走向了成熟，求解其基本方程的方法主要是有风流动所遵循的动力学方程进行数值求解(通常称限体积法，本文即采用该方法在计算流体力学软件为计算流体力学CFD)，从而仿真实际的风环境。FLUENT6．0上实现k—e模型基本方程的数值求CFD诞生于2O世纪6O

5、年代，随着计算机的发展与解。该软件主要由前处理器Gambit和求解器Flu—普及，数值模拟技术发展很快，许多专门的cFD商ent及其它辅助模块组成。前处理器的功能主要是业软件被开发出来，如：CFX、FIDAP、FLUENT、建立几何模型和划分网格，并指定边界条件，网格的PHOENICS、STAR—CD等。相对于传统的风洞试划分密细程度直接影响到计算结果。求解器的功能验，数值模拟有很多明显的优点，如：费用少、节省人主要是对Gambit生成的模型进行数值计算，将计力物力，具有很好的重复性，可以很方便地设最各个算出的数据和图形输出。参数的变化及考察它们的影响

6、，便于优化设计。同图1为坝陵河大桥桥址风场数值模拟的计算时计算机模拟还能够比较容易地实现风洞试验中难流程。收稿日期：2009—12—24基金项目：国家自然科学基金资助项目(50808148)作者简介：徐洪涛(1978一)，男，工程师，1999年毕业于河北工业大学交通土建工程专业，工学学士，2003年毕业于河北工业大学结构工程专业，工学硕士，2009年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，工学博士(E—mail：xht1978@163．corn)。62世界桥梁2011年第3期确定计算区域、。I里兰竺l建立几何模型IIl同时求解连续ll方程、动量方Il程和

7、能量方程I’’。’。’’’。’。。。。。_J划分网格、指r—————●。’—’1定边界条件lf求解湍流方程lL及其它方程f’。。’。‘。’’。’’。。’。。。J八I图4桥位计算区域局部地表网格划分一数l输出计算模型。是l湍流计算模型出发点是模拟均值化的流场而不囱是原始的流场，对于难于分辨的小尺度涡在均值过程予以忽略，而被忽略的小尺度涡在湍流模型中体图1坝陵河大桥桥址风场数值模拟计算流程现出来。在实际中应用广泛的就是雷诺均值RANS2．2数值风洞计算模型模型，该模型表达的仅仅是大尺度涡的运动，因而在坝陵河大桥桥址风场特性的数值风洞计算采用数值模拟时可以使

8、用相对较粗的网格，从而可以在FLUENT6．0程序在工作站上运行，软件基于有限现有的计算硬件资