基于fluen的大跨度桥梁抗风数值模拟

基于fluen的大跨度桥梁抗风数值模拟

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。由于桥梁断面形状及自然风特性的复杂性,到目前为止还不能用数学解析方法精确描述风对桥梁的作用,只能制作一定缩尺比的节段模型,通过风洞试验测定静力二分力系数来描述风对桥梁的静力作用,而三分力系数的获取用试验方法具有周期长、成本高、不能进行强风暴雨模拟等缺点。CFD(ComputationalFluidDynamics)计算流体动力学是一门用数值计算方法直接求解流体主控方程以发现各种流动现象规律的学科。CFD数值模拟技术作为一种新型的研究方法为获取桥梁断面静力二分力系数提供了一种较为简便、快捷、准确、低成本的途径,在用于工程方案阶段的预研、风洞实验数据的验证以及优化设计方案等方面都是一种较为安全稳妥的思路。桥梁的主梁断面的选型对整个桥梁的抗风性能影响很大,所以,大跨度桥梁主梁断面的气动选型是其抗风设计与研究的一个十分重要的问题。目前,桥梁主梁的断面形式一般可以归纳为:流线形和非流线形两种,它们的气动力行为有很大的区别。流线形断面的气动力稳定性较好,而非流线形断面的气动力稳定性较差。1空间场的模拟计算流体动力学是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动与热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可以归结为:把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场如速度场和压力场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式,建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组,获得场变量的近似值。CFD可以看作是在流体基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟。通过这种模拟可以得到极其复杂的流场内各个位置的基本物理量(如速度、压力、温度等)的分布,以及这些物理量随时间的变化情况。2静力产业模型在速度为V的流体中桥梁断面将受到顺桥向的力FD和横桥向的力FL以及流动引起的静力矩FM的作用,如图1所示,按体轴坐标系作用于桥梁断面上的静力二分力系数为:式中:U为来流风速;ρ为空气质量密度,取1.225kg/m3;B为参考宽度,对于箱梁取其顶板的宽度(包括翼缘板);L为节段的长度,即风洞内的测力模型高度;FD、FL、FM为风轴坐标下静风阻力、静风升力和静风升力矩。3采用不同箱梁断面形式为了研究不同断面类型的箱梁断面在风荷载作用下的静力三分力系数的规律,本文采用三种不同的箱梁断面形式,采用相同的顶板宽度和相同的梁高,采用ANSYS13.0中的Fluent,对钝头型箱形截面,带斜腹板箱形截面和扁平流线形箱梁截面进行数值模拟。3.1带斜腹板箱梁钝头型箱梁顶板、底板宽为1200cm,梁高350cm;带斜腹板箱梁顶板宽1200cm,底板宽490cm,梁高350cm;扁平流行形箱梁截面断面中部宽1200cm,顶板底板宽650cm,梁高350cm,如图2～图4所示。3.2数值模拟结果及分析本文的数值模拟以三种不同箱梁为断面形式,先采用适当的形式进行网格处理,然后对风攻角包括从-3°～+3°共7个整数度风攻角工况进行模拟,模拟风速V=30m/s。模拟结果包括主梁阻力系数、升力系数、升力矩系数。对断面1/40缩尺模型在不同风攻角下的情况进行二维建模分析,采用ANSYSCFD13.0为计算平台,采用其中的ICEM建立模型,并进行网格划分,然后采用ANSYS中的Fluent模块进行计算。计算域取为16B×24B的矩形(B为主梁跨中断面模型宽,B=0.35m),计算域进口到主梁断面中心距离为8B,出口至截面中心距离为16B,上下距截面中心各为8B,计算区域为2.1m×1.4m。如图5所示。3.3速度进口边界条件计算采用二维定常(Steady)分离式求解器(SegregatedSolver),选取k-ω两方程模型的改进型SST湍流模型,湍流强度取0.5%,湍动黏性系数取10。材料采用的介质空气,密度1.225kg/m3,分子黏度系数1.7894,速度取V=30m/s,对应计算模型的雷诺数为6.2×105。0°攻角来流取入口边界为30m/s的速度进口边界条件,出口取压力出口边界条件,上下边界及箱梁断面取无滑移壁面边界条件。非0°攻角时将上下边界条件均改为速度进口边界条件。钝头型箱梁:Cells数目为6057个,Faces数目为12104个,Nodes数目为6047个;带斜腹板箱梁:Cells数目为6560个,Faces数目为13093个,Nodes数目为6533个;扁平箱梁:Cells数目为6605个,Faces数目为13171个,Nodes数目为6566个。钝头型箱梁、斜腹板箱梁、扁平箱梁的网格划分如图6～图8所示。3.4结构内部分内速度分布通过计算,我们可以得到在风攻角下的压强、速度分布云图,还可以提取三分力系数。钝头型、斜腹板、扁平箱梁的动态压强云图、速度云图,如图9～图14所示。对于钝头型箱梁:从断面0°风攻角压强云图可以看出,断面迎风面为正风压,而且数值较大,侧面(上侧和下侧)和背风面一小段范围内为负风压,而且数值较小,在断面附近,风压较小,而在离断面较远处,风压较大,在断面侧面和背面出现漩涡,而后慢慢脱落;在断面上侧和下侧,漩涡脱落的位置,出现整个计算区域的最大风压,从断面0°风攻角速度云图可知,由于钝头型箱梁腹板的阻力作用,断面周围速度分布较小,在断面上侧和下侧一部分位置,速度分布较大,在断面后方,速度分布也相对较小,在渐渐远离断面的过程中,慢慢出现速度漩涡,并脱落。对于带斜腹板箱梁:从压强云图可看出,包围着断面附近的区域风压较小,但没出现负风压。在断面后面一段距离范围内,风压分布也相对较小,在断面上侧和下侧风压分布较大,并出现漩涡。从速度云图可以看出,由于箱梁腹板的阻力作用,在断面周围一段区域,尤其是在断面后边,速度分布较小,也有地方速度分布为0,在断面上侧和下侧速度分布较大。与钝头型箱梁断面压强与速度分布有些相似,但是没有负风压,但是,较钝头型箱梁断面而言,斜腹板箱梁断面压强和速度分布要相对均匀一些。对于扁平箱梁:压强和速度分布规律与钝头型型箱梁断面,斜腹板箱梁断面有些相似,但是由于扁平箱梁侧面腹板相当于导流板,所以,整个流场,压强和速度的分布相对均匀一些。这样,断面受风压和速度的影响就小得多,从这可以看出,扁平流线形箱梁断面对桥梁抗风是十分有利的。另外,从上述的压强、速度、湍流强度等云图和等值线图我们可以初步了解桥梁所在区域的风的流场情况,可以指导我们优化设计梁的断面选型。通过提取有限元数值模拟计算中的断面三分力系数可以为初步设计提供指导依据,比风洞实验省时省力,又经济。由式(1)～式(3)可知,CD、CL、CM与FD、FL、FM分别成正比关系,所以CD、CL、CM越大,FD、FL、FM也会越大,这样断面的气动稳定性也就越差。从表1可以看出,随着风攻角的增大,三分力系数的绝对值都有增大的趋势,而且从整体上看,扁平箱梁三分力系数的绝对值一般要小于斜腹板箱梁三分力系数的绝对值,斜腹板箱梁三分力系数的绝对值一般小于钝头型箱梁三分力系数的绝对值。当然,由于计算机模拟多次存在误差,并不是所有三分力系数的绝对值都符合这个规律,但是,在0°风攻角下,三分力系数的绝对值基本上符合上述规律,三分力系数的绝对值越小,在强风作用下,桥梁所受的三分力就越小,这样桥梁的抗风稳定性就越好。4cfd结果分析CFD技术的发展为桥梁风工程的研究提供了一种新的手段,既节省大量的人力资源又节约了反复试验要消耗的大量时间,日前作为风洞试验的辅助乎段越来越广泛地应用于大跨度桥梁的断面选型、静力和动力