基于cfd方法的桥梁断面分异研究

基于cfd方法的桥梁断面分异研究

0种类型桥梁断面的雷诺数效应研究在桥抗风研究中，阻力系数cd、升力系数cl和升力系数cm是振动振动响应分析、振动衰减稳定性分析和振动负荷稳定性分析的重要参数。三大因素的值直接影响桥抗风分析的精度。现有桥梁断面抗风研究的计算与分析,所用的三分力系数均来自低雷诺数风洞模型试验,在桥梁模型风洞试验中,模型与实桥间除应满足断面几何外形相似外,还应满足一系列量纲一参数的一致性条件,即相似准则;而鉴于种种因素,风洞模型试验的相似条件却大打折扣,因此,由风洞试验得到的三分力系数向实桥值复原时,不可避免的存在着雷诺数效应。长期以来,人们一直认为具有尖锐棱角的桥梁断面中三分力系数雷诺数效应可以忽略不计,故桥梁断面三分力系数的雷诺数效应一直没有引起足够的重视。随着现代桥梁的长大化、结构分析的精细化,忽略雷诺数效应有可能引起不可预计的严重后果。因此,雷诺数效应的研究应得到足够的重视。雷诺数效应对断面形状很敏感,要研究所有桥梁断面雷诺数效应是不可能的,但如果仅仅研究某一断面雷诺数效应又不够全面。在航空领域或流体力学领域,将通常条件下容易引起分离气流的断面归为钝体断面,而通常条件下不易导致气流分离或分离不剧烈的断面归为流线型断面。桥梁工程设计中,大跨径桥梁主梁常采用的断面形式有2种:以∏型、H形等为代表的钝体断面,以及以闭合箱梁断面为代表的流线型断面。为此,本文选择流线型断面及∏型断面作为研究对象,以现有的风洞试验结果为依据,分别采用3种不同湍流模型——标准k-ε模型、Reynolds应力方程模型(RSM)和Spalart-Allmaras(S.P)模型,对2种类型的桥梁断面作数值模拟计算,分析2种类型桥梁断面的三分力雷诺数效应特点,并将数值计算结果与风洞试验结果进行对比。通过对2种方法所得曲线的吻合程度进行分析,并应用CFD(计算流体力学)方法,研究流线型断面和钝体断面三分力系数的雷诺数效应问题,为本项目后续工作的顺利开展打下基础。1型尺寸、型尺寸试验模型为流线型断面和∏型断面的大比例模型,模型宽高比为12∶1,模型尺寸见表1。试验风速为5～50m/s,流线型模型的雷诺数范围为8.3×103～3.3×105,∏型模型的雷诺数范围为7.0×103～2.8×105,通过改变模型尺寸和气流速度这2种方法,实现改变雷诺数。1.1数值计算网格的选取生成网格质量的好坏,直接影响到模拟结果的精度和所耗用的CPU(中央处理器)时间,网格生成是计算流体力学方法在工程应用中面临的关键技术之一。在计算敏感区(壁面附近、尾流区、外形曲率大的表面处)参数变化梯度大的区域,若网格太稀,则不能捕捉到流场的重要信息,通常会造成结果误差大,甚至解不能收敛,因此对这些区域需特别注意,选取较密网格;在流动参数变化梯度比较小的区域,若网格太密,则会增加所耗用的CPU时间,所以应取较稀的网格。本文采用FLUENT软件和前处理器GAMBIT形成模型,流线型断面尺寸如图1所示。计算区域为一个长方形,上下、出入边界到截面中心距离均大于10倍截面宽。采用结构化网格,计算区域用四边形网格进行离散,在截面周围区域进行网格加密,总网格数为56000个,从数值计算的结果来看,具有上述描述特征的网格能够满足计算精度要求。网格划分如图2所示。1.2常用的湍流计算模型(1)Spalart-Allmaras(S.P)模型是一种相对简单的方程模型,它仅仅考虑了动量的传递过程,包含了一组最新发展的单方程模型,在这些方程中不必去计算与局部剪切层厚度相关的长度尺度。在气体动力学中,对于有固壁边界的流动,利用S.P模型计算边界层内的流动以及压力梯度较大的流动都可以得到较好的效果。传统的S.P模型实际是一种低雷诺数模型,要求在近壁面区的网格划分的很细,但在FLUENT软件中,由于引入了壁面函数法,这样S.P模型应用在较粗的壁面网格时也可取得较好的结果。单方程模型的缺点在于对长度尺度的变化不敏感,当精确的湍流计算并不十分需要时,这种模型是最好的选择。(2)标准k-ε模型是在关于湍流动能k的方程基础上,再引入一个关于湍流动能耗散率的方程,从而使得模型变为两方程模型,模型中有关系数是在特殊试验条件下确定的,不同的文献会给出不同的值。标准的k-ε模型是针对高雷诺数湍流计算模型,对低雷诺数区,如壁面附近可能处于层流状态,则不能得到较好的结果。一般可以改变该区的参数,如引入壁面函数等来解决。(3)Reynolds应力方程模型(reynoldsstressequationmodel,RSM)。该模型是考虑所有二阶关联量建立的输运方程,再由雷诺应力方程经张量缩积运算得到脉动动能的输运方程,其中自然出现了脉动动能的耗散项,为此进一步建立脉动动能耗散率的方程。在这些方程中出现了一些新的未知量,称为模型参数,一般情况下为常数,用试验方法确定。RSM属于高雷诺数的湍流计算模型,能够反映一些较复杂的物理机制,可以较为准确地考虑各向异性效应,因此在多数情况下能够得到较好的湍流模拟效果。但对于一般工程中的湍流问题,这个方程组实在是太庞大了,计算量非常大,难以在工程计算中应用,所以在工程实际中,RSM模型并未获得广泛应用,为节约计算时间还需要加以简化[10,11,12,13,14,15]。入口:速度进口(Velocityinlet);出口:出流(Outflow);计算域上下底面:壁面边界(Wall)。1.3种湍流模型风洞模型实测结果对比表2～表4分别给出了由试验方法和数值模拟方法得到的三分力系数随雷诺数变化的结果。下页图3为利用3种不同湍流模型计算得到的三分力系数随雷诺数变化的曲线。图3(a)为流线型断面阻力系数随雷诺数的变化曲线。3种湍流模型下数值模拟计算的结果十分相近,与试验结果吻合程度较高,阻力系数随雷诺数的增大而减小;当雷诺数大于1×105时,阻力系数变化平缓,基本维持在0.27附近,数值模拟结果与风洞试验结果非常接近,最大误差不超过3%;当雷诺数小于1×105时,最大误差不超过5%。图3(b)为流线型断面升力系数随雷诺数的变化曲线。3种湍流模型中k-ε模型与RSM模型的计算结果相近,与试验结果吻合程度较差;当雷诺数小于1.3×105时,数值模拟值小于试验值;当雷诺数大于1.3×105时,数值模拟值大于试验值,变化趋势始终不一致。图3(c)为流线型断面升力矩系数随雷诺数的变化曲线。升力矩系数随雷诺数变化不明显;当雷诺数大于1×105后,升力矩系数有减小趋势,但变化幅度不大,约为5%。而与阻力系数和升力系数相比,其数值模拟计算的结果与试验结果相比误差较大,其中k-ε模型下计算的结果符合程度最好。2随着雷达数的变化，数值模拟计算的结果2.1计算网格特征∏型断面尺寸如图4所示。计算区域为一个长方形,上下、出入边界到截面中心距离均大于10倍截面宽;采用结构化网格,计算区域用四边形网格进行离散,在截面周围区域进行网格加密,总网格数为58000个,从数值计算结果来看,具有上述描述特征的网格能够满足计算精度要求。网格划分如图5所示。2.2sa-p模型(1)标准模型。(2)Reynolds应力方程模型(RSM)。(3)Spalart-Allmaras模型(S.P)。入口:速度进口(Velocityinlet);出口:出流(Outflow);计算域上下底面:壁面边界(Wall)。2.3高雷诺数区域升力系数表5、下页表6～表7给出了由试验方法和数值模拟方法得到的三分力系数随雷诺数变化的结果。图6为利用3种不同湍流模型计算得到的三分力系数随雷诺数变化的曲线。图6(a)为∏型断面阻力系数随雷诺数的变化曲线。阻力系数随雷诺数的增加而增大,高雷诺数区阻力系数变化平缓,基本维持在1.4附近。当雷诺数小于1×105时,阻力系数变化较大,由图6(a)可见,S.P模型的计算结果与试验结果吻合最好;当雷诺数大于1×105后,相对误差不超过1%。图6(b)为∏型断面升力系数随雷诺数的变化曲线。在试验的雷诺数范围内,升力系数变化比较小,但在雷诺数为1×105附近时,曲线有微弱下沉的趋势,数值模型计算的变化趋势与其相比有较大区别,结果的相对误差偏大。图6(c)为∏型断面升力矩系数随雷诺数的变化曲线。∏型断面的升力矩系数对雷诺数不敏感,3种湍流模型计算结果也验证了这一点。随着雷诺数的不断增大,其数值模拟计算结果与试验结果吻合程度越来越高,其中S.P模型下计算的结果符合程度最好,在雷诺数达到2×105后,误差小于3%。3低雷诺断面结构参数对抗风设计结果的影响(1)流线型断面阻力系数的雷诺数效应非常显著,低雷诺数模型风洞试验得到的阻力系数,代替实桥断面阻力系数用于桥梁抗风设计分析偏保守,误差大,由此得到的结果必须谨慎对待;∏型断面阻力系数随雷诺数增加而增大,在雷诺数小于1×104区域,变化幅度较大,低雷诺数风洞试验得到的阻力系数,代替实桥断面阻力系数进行抗风设计分析时偏于危险,需重视以∏型断面为代表的钝体断面桥梁在低雷诺数区的阻力系数雷诺数效应,由此得到的结果需谨慎处理。(2)流线型断面的升力系数的雷诺数效应显著,低雷诺数风洞试验得到的升力系数不能代替实桥断面的升力系数,否则得到的误差是难以预料的;∏型断面的升力