基于CFD软件桥梁断面风压系数的数值模拟.pdf

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2014年第2期·45·第40卷总第178期SichuanBuildingMaterials2014年4月DOI:10.3969/j.issn.1672-4011.2014.02.021基于CFD软件桥梁断面风压系数的数值模拟竹剡锋,李彬(湖南科技大学,湖南湘潭411201)摘要:计算机流体力学数值模拟方法(CFD)相对于1工程概况传统的风洞试验方法有着成本低、省时省力、良好的重复性等特点,它不仅能模拟桥梁跨中断面周围风场的特征,某大桥为宽阔湖面地形条件下特大PC斜拉桥,主桥桥还能计算得到桥梁断面的风压系数。本文采用CFD软件面高52m(黄海)。设计通航等级Ⅲ级。主桥桥型为不等高FLUENT中的3种不同的湍流模型,即标准模型(Standard三塔、双索面空间索、全飘浮体系的预应力钢筋混凝土肋κ-ε)、RNG模型(RNGκ-ε)及雷诺应力方程模型(RSM)对主板梁式结构的斜拉桥,引桥为连续梁桥,跨径为130m+梁断面进行数值模拟,选取合理的湍流模型,并将数值模310m+310m+130m。本文只针对主梁标准断面进行数值拟结果与实测试验值进行比较,验证采用CFD数值模拟技模拟,主梁横断面图如图1所示。术模拟桥梁跨中断面风压系数的可行性与可靠性。关键词:CFD;桥梁断面;风压系数;数值模拟1500中图分类号:TU312+．1文献标志码:B17300文章编号:1672-4011(2014)02-0045-033416130075200前言381风灾是自然灾害中发生最频繁的灾害之一。20世纪802020年代,高频率、次生灾害大的风灾,在西方社会损失1亿23630美元以上的自然灾害统计结果中表明:风灾次数所占比例高达51．4%[1]。2013年,在我国风灾害已导致1865．4万图1主梁横断面图/mm人次受灾,92人死亡或失踪,直接经济损失高达250．14亿2桥梁断面的数值模拟元,可见风灾给人类生命财产带来了巨大危害。在研究桥梁抗风中,风荷载是桥梁常遇的作用荷载,尤其是对大跨2．1模拟的工况度和轻质的桥梁所引起的响应在总荷载中占有相当大的比桥梁跨中断面为规则对称断面,为使得计算精确,采重。由于自然风的特性以及桥梁跨中断面形状的复杂性,用尺寸之比为1进行三维建模数值模拟计算,模型测点布用数学解析方法难以精确描述风对桥梁的作用,通常是制置与实测测点布置一致(共46测点),具体测点布置图位置作一定比例的节段模型,通过风洞试验测定风压系数。然如图2~3所示。而,风洞试验有着费用高、周期长、设备测试复杂等缺点,04645并随着计算机技术的高速发展,计算流体力学(CFD)的发026041045048022504600展给桥梁风工程提供了一种可能替代风洞试验的研究手段,32149151644171843192008414630950200050102000即数值模拟。它已经逐步成为继风洞试验后预测建筑物表70560100513690面风压、周围风速和湍流特性的一种有效的新方法[2~3]。033851260目前几个主要专业的CFD软件有CFX、FIDNAPD、STAR-0978579110CD、FLUENT等。1997年,Slelvam等采用LES对得克萨斯0810028860810160建筑科学研究进行了数值模拟,结果表明对平均值的预测1[4]与实测结果均吻合较好。2002年,唐锦春,陈水富(浙图2测点布置图1/mm江大学)等运用standardκ-ε以及RNGκ-ε模型对低层坡屋4039430200面建筑物进行了三维风场的数值模拟,所得结果与风洞试220010005103601920212242232441383736190[5]验值基本吻合。2006年,金新阳(中国建筑科学研究院)2000301020209405502535037404907等利用各种湍流模型对某立方柱建筑模型分别作了数值模330026340[6]44拟,得出RNGκ-ε模型的数值预测结果相对较好。本文68以计算流体力学理论为基础,以FLUENT软件为平台计算027330810628326模拟并提取斜拉桥主梁断面不同湍流模型下的风压系数,829303110为桥梁的抗风设计提供一定的参考。19078089002160图3测点布置图2/mm作者简介:竹剡锋(1988-),男,浙江绍兴人,硕士研究生,研究方向:2．2数值计算模型的建立及网格划分桥梁抗风。选取计算域需要考虑计算机硬件以及计算精度等因素, ·46·2014年第2期2014年4月SichuanBuildingMaterials第40卷总第178期计算区域的合理选择有助于模拟结果准确性的提高和计算2.73e+012.48e+01量的减少。由于保证进口截面的堵塞度小于等于5%。本文2.24e+011.99e+011.74e+01计算域为225m×125m×50m,桥梁跨中断面置于计算域1.49e+011.24e+01沿风流向的前1/3处。由于计算结果的准确性受网格类型9.97e+007.49e+00和网格数量影响大,计算域进行网格划分时主要采用具有5.01e+002.54e+005.83e-02良好拓扑性的非结构混合网格(TGrid)。在桥梁跨中断面附-2.42e+00-4.90e+00近进行网格加密,远离桥梁跨中断面区域网格则由密到疏-7.38e+00-9.86e+00Y-1.23e+01逐渐变稀疏。划分得到的网格总数为1041700个,数值模-1.48e+01-1.73e+01ZX拟计算模型如图4所示。ContoursofStaticPressure（Pascal）Mar14，2006FLUENT6.3（3d，pbns，ske）图5压强云图(Standardκ-ε)2.83e+012.58e+012.34e+012.09e+011.84e+011.60e+01Y1.35e+011.10e+018.57e+00X6.11e+003.64e+00Z1.18e+00-1.29e+00-3.76e+00-6.22e+00-8.69e+00图4计算模型图-1.12e+01-1.36e+01Y-1.61e+01-1.86e+012．3边界条件的设置-2.10e+01ZX合理设定边界条件对于流场分析至关重要[7],本文针ContoursofStaticPressure（Pascal）Mar15，.2006FLUENT6.3（3d，pbns，ske）对结构绕流流场的特点,边界条件的定义如下:图6压强云图(RNGκ-ε)1)入口边界条件:本文为不可压缩流,可将入口边界2.65e+01条件定义为速度入口(velocity-inlet),由于本文是在不同湍2.42e+012.18e+011.95e+01流模型条件影响下的风压系数,故可在流域进口处设定恒1.71e+011.48e+011.24e+01定风速值。1.01e+017.75e+002)出口边界条件:本文采用出口完全发展出流边界条5.40e+003.05e+007.01e-01件(Outflow)。Outflow边界条件用于流域出口充分发展且流-1.65e+00-4.00e+00-6.35e+00域流速变量和出口处压力都是未知的情况。-8.69e+00-1.10e+013)壁面边界条件:将流域的顶部、两侧、地面及桥梁-1.34e+01Y-1.57e+01-1.81e+01ZX跨中断面的表面定义为无滑移壁面条件(Wall)。-2.04e+01ContoursofStaticPressure（Pascal）Mar15，20062．4求解参数的设置FLUENT6.3（3d，pbns，ske）离散格式的合理选择能加速计算迭代的收敛,有助于图7压强云图(RSM)[8]提高解的精度和求解的速度。本文需要将风对桥梁跨中0.6断面的作用进行定量的分析,所以采用二阶迎风格式,本0.5试验结果文在进行多次数值模拟尝试后采用压力欠松弛系数取为0．60.4模拟结果和SIMPLEC算法,计算至所有控制方程的相对迭代残余量统0.3系均小于10-4以下且桥梁跨中断面的表面平均风压值基本不0.2压风0.1再变化,即认为计算流场已基本稳定。均平02．5风压系数的定义-0.1建筑物表面风压通常用风压系数表示,其定义为:-0.2P-P-0.3i∞05101520253035404550Cpi=21/2ρUref测点编号式中,P为作用在结构表面某点i的静压力;ρ为空气密i图8风压系数对比(Standardκ-ε)3度,本文均取1．225kg/m;U为参考高度处(本文取为离桥ref0.6梁跨中断面高度15m处)远前方的平均风速;P为参考高∞0.5试验结果度处远前方的静压。0.4模拟结果统0.33桥梁断面的数值模拟结果系0.2压风0.1本文进行数值模拟计算时分别采用3种湍流模型均0平(Standardκ-ε、RNGκ-ε、RSM),模拟190．45°风向角,风速为-0.16．08m/s(与实测风向角及风速一致)计算桥梁跨中断面的-0.2表面平均风压值和风压系数,并与实测风压系数进行比较。-0.305101520253035404550风压和风压系数符号的规定:压力向内或向下为正,向外测点编号或向上为负值。数值模拟计算的表面风压如图5~7所示,图9风压系数对比(RNGκ-ε)风压系数与实测试验结果比较如图8~10所示。 2014年第2期·47·第40卷总第178期SichuanBuildingMaterials2014年4月0.6和发展潜力日渐显现。目前作为风洞试验的辅助手段越来0.5试验结果越多地应用到大跨度桥梁的断面选型、静力和动力的分析,0.4模拟结果统取得了良好的研究进展与经济效益。本文以实际工程为例,0.3系说明CFD技术应用到风对建筑物作用方面进行研究的可行压0.2风性与可靠性,通过数值模拟计算得到的风压系数与实测试0.1均平0验风压系数对比,最终选取了合理的湍流模型,即RNG-0.1κ-ε模型。RNGκ-ε模型虽计算结果较为精确但计算所需时-0.2间较长,对于三维复杂体型的建筑物只需建筑物表面风压值-0.305101520253035404550建议采用RNGκ-ε模型,而需要得到建筑物周围流场湍流测点编号信息时则采用RSM模型。以上研究结论可为大跨度桥梁的图10风压系数对比(RSM)抗风设计及建筑物风荷载的数值模拟提供一定的参考。[ID:001059]4结果分析参考文献:桥梁跨中断面通过数值模拟计算得到的原始数据可得出以下规律:[1]陈政清.桥梁风工程[M].北京:人民交通出版社,2005.1)在任一湍流模型下(见图5~7),桥梁断面迎风面均[2]MurakamiS.Currentstatusandfuturetrendsincomputationalwind出现正压,背风面一般为负压,由于气流有分离现象,则engineering[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerody-namics,1986(1):3-34.最大的负压则出现在转角处以及桥梁护栏附近。[3]Sang-Ho.S,Hyung-Woon.R,Ha-Rim,etal.Applicationof2)在3种湍流模型下(图5~7),RNG模型(RNGκ-εcomputationalTechniquesforstudiesofwindpressurecoefficients)所计算模拟得到的正压力值最大,雷诺应力方程模型aroundanodd-geometricalbuilding[J].JournalofWindEngi-(RSM)则最小,但三者的正压区域形状以及大小则相似。neeringandIndustrialAerodynamics,1997,67&68:659-670.3)通过计算结果与实测试验结果的风压系数对比(图[4]SelvemPRELUANR.NR.ComputationofpressuresonTexastech8~10)可知,采用标准模型(Standardκ-ε)与雷诺应力方程universitybuildingusinglargeeddysimulation[J].JournalofWind模型(RSM)计算的风压系数计算的各个测点的风压系数与EngineeringandIndustrialAerodynamic1997.实测试验值相差稍大,而RNG模型(RNGκ-ε)则相差不多[5]陈水福.建筑表面风压的三维数值模拟[J].工程力学,1997,且RNGκ-ε模型的计算值与实测试验值吻合程度较其他湍14(4):38-43.流模型理想。[6]金新阳,等.数值风工程应用中湍流模型的比较研究[J].建筑4)从计算结果与实测试验结果的风压系数对比(图8科学,2006,22(5).[7]黄本才,汪丛军.结构抗风分析原理及应用[M].2版.上海:同~10)可知桥梁断面46个测点的误差值除某些点以外基本济出版社,2008.都在15%左右。[8]黄滢.基于FLUENT软件的建筑物风场数值模拟[D].武汉:华5结论中科技大学,2005:35-44.计算风工程(CFD)虽处于起步研究阶段,但蓬勃生机■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■(上接第39页)究此种结构偏压性能,并作进一步的讨论是十分必要的。一般可达极限荷载的80%以上。3)在本次试验过程中,发现标准试块的强度值与理论2)在加载过程中,钢管给予混凝土的径向压应力虽然值相差较大,由厂家提供的C30级混凝土在试验中最大强有先减小后增加的趋势,但其始终存在,这就使得核心混度达到了C65,说明膨胀剂和外加剂对混凝土强度也有明凝土始终处在三向应力状态下。由于钢管自密实混凝土弹显的影响。[ID:001052]性阶段增长,弹塑性阶段变短,使得其延性系数低于普通参考文献:钢管混凝土。初始膨胀的影响使得自密实混凝土的极限承载力有较大提高。[1]顾维平,蔡绍怀,冯文林.钢管高强混凝土的性能与极限强度[J].建筑科学,1991,7(1).3)经过试验分析发现,钢管屈服点所对应的荷载与核[2]钟善桐.钢管混凝土结构[M].3版.北京:清华大学出版社,心混凝土开裂所对应的荷载非常接近,钢管屈服和混凝土2003.裂缝扩展几乎同时发生,这说明此两种状态是相互关联的[3]庞超明,秦鸿根,赵谦,张英利.C50自密实微膨胀混凝土的配过程,从而提高了自密实钢管混凝土的强度。制及其在钢管混凝土拱施工中的应用[J].混凝土与水泥制4．2问题思考品,2002,29(6).1)虽然本次试验在轴压试验分析了自密实钢管混凝土[4]李清河.高强与免振捣自密实混凝土[J].建筑技术开发,的力学性能,但由于试验时所配制的试件应力水平均在一1997,24(6).[5]辛宗慧,朱一飞,赵兴东,等.免振捣自密实混凝土工作性能试定范围内,并未有普遍性,对于实际工程中的自密实钢管验研究[J].有色冶矿,2003,19(3).混凝土力学性能只能提供参考,因此需要扩大范围以便更[6]蒋丽忠,丁发兴,等.钢管自密实混凝土轴压力理研究[J].中好的对力学性能水平的影响规律进行分析。国铁道科学,2006,28(4).2)本次课题对自密实钢管混凝土短柱的轴心受压性能[7]徐磊,黄承逵.钢管自应力免振捣轴压柱设计理论研究[D].大进行了试验研究,但实际应用中受压构件都会受到一定弯连:大连理工大学,2006.矩的影响,理想的轴心受压构件是不存在的,因此深入研[8]CECS28:90钢管混凝土结构设计与施工规程[S].