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对于流线型断面,小振幅条件下振幅对气动导数的影响很小,但是随着振幅的进一步增大,振幅对气动导数的影响明显增大。而对于钝体主梁断面,即使在小振幅条件下,振幅的大小对其气动导数也有较大的影响,表明振动幅值对钝体断面气动导数影响更大。此外,桥梁断面在大振幅激励下,表现出强烈的非线性,基于Scanlan线性假设的气动导数将不能准确的表示大振幅激励下桥梁断面的自激力。
本文为桥梁工程在职硕士论文，主要研究桥梁构造气动参数区分的数据仿真。
1绪论
1.1选题背景
随着科学技术的发展,现代桥梁的跨度突飞猛进。截止2011年底,在全世界范围内己建成近20来座跨径超过千米的悬索桥及斜拉桥。其中跨径最大的是日本明石海峡大桥,这座钢桁架悬索桥的主跨己经达到了 1991m。目前我国己建成的苏通大桥和昂船洲大桥主跨分别达到了 1088m和1018m,分别为目前世界上跨度最大和第二大的斜拉桥。舟山连岛工程的西堠门大桥主跨1650m,润扬长江大桥主跨1490m,分别为世界排名第二和第四的悬索桥。
对于桥梁风工程而言,风洞实验能够在一定程度上反应实际的解答,但风洞实验存在很多困难,由于涉及模型的设计和制作、需要风洞设备及测量仪器等,因而研究周期长、费用高、测试设备复杂,同时风洞中气流可视化也较困难,且有些情况可能很难通过实验方法实现。现场实测方法是最直接的研究手段,对于检验其余方法的可靠程度是不可缺少的,但它费时、费钱、费人力,而且无法在桥梁建设之间进行。理论分析方法能够得到普遍性的结果,各种影响因素清晰可见,是指导实验研究和数值计算的理论基础,但是它是基于空气动力学理论,往往要求对计算对象进行抽象和简化才有可能得出理论解,对于非线性情况,只有少数流动才能给出解析结果。
数但模拟方法就是应用CFD技术,在计算机上模拟气流经过桥梁结构的流场分布情况,并对流场所遵循的控制方程进行数值求解。数假方法在某些方面和一定程度上克服了理论分析方法和风洞实验方法的弱点。由于流体控制方程变量繁多,且具有显著的非线性,同吋计算模型儿何形状复杂、边界条件复杂,因此这类流动问题很难求到解析解,而采用CFD技术则冇可能找到满足工程需耍的数值解。它不受物理模型和实验模型的限制,能够模拟风洞实验无法实现的条件,计算经费小,周期短,同时具有很好的可:《复性,且无需实验设备和数据修正。特别是模拟复杂外形绕流问题时,由于其能够形象而细致地再现复杂的流动现象,可以方便地揭示桥梁和气流之间的相互作用机理。新的湍流模型出现,如剪切应力输运模型(SST)、大涡模拟(LES)、分离祸模拟(DES)等,使得数值模拟的前景更为广阔和乐观。
1.2风对桥梁的作用
1.2.1风对桥梁的静力作用
对于大跨度桥梁,随着桥梁跨度的不断增大,几何非线性在结构受力中的作用会越来越显著,而且静风荷载也随结构变位而呈现出气动非线性特征,既静气动力系数是结构变位的函数。影响静风荷载的结构变位主要是主梁的扭转变形,因此考虑:梁扭转变形影响的静气动力系数可表示为:
1.2.2风对桥梁的动力作用
尤其是大跨度桥梁,由于其刚度较小,振动易得到激发,这时候空气作用力就具有了静力和动力的双重作用。风的动力作用诱发柔性桥梁结构发生变形或振动,而这种变形或振动相当于气体边界条件的改变,从而引起作用于结构气动力发生变化,气动力的变化又会使桥梁结构产生新的变形或振动,形成了风与结构的相互作用机制。风对桥梁的动力作用包括颤振、抖振、涡激、驰振等,其中颤振和抖振是大跨度桥梁最主要的两种风振稳定性问题。
2桥梁结构气动参数识别的CFD数值模拟技术
2.1引言
桥梁结构总是在地表边界层的风场中存在,是风流动的障碍物,而且大部分桥梁结构对风表现为钝体,故桥梁风工程研究的重点是钝体空气动力学。钝体周围的流场十分复杂,充满着气流分离、再附、撞击、涡旋等物理现象,这些物理现象的复杂性也对利用CFD技术精确再现流场提出了很大的挑战。
CFD所依赖的Navier-Stokes方程组在数学上为一组偏微分方程,依赖于具体流场的特性,它们可能是椭圆型、抛物线型、双曲线型或混合型的。Navier-Stokes方程组的求解是CFD的核心部分,其对于不可压流体和可压流体的流动所表现的不同性质导致其解法上的差异。桥梁风工程研究的流动--般为低速流动,满足不可压流动的假设,因为桥梁风工程中研究的流动不涉及温度场的问题,连续性方程和动量守恒方程便可构成封闭方程组,山一定的压力分布通过动量守恒方程即可解得速度场。但求解出的速度场必须满足连续性方程,而连续性方程与压力却没有直接关系,从而导致流场求解的闲难。为了解决压力所带来的流场求解难题,人们提出了若干从控制方程中消去压力的方法,H前使川最为广泛的是1972年由Patanker和Splding提出的SIMPLE算法[26]。此外,在高雷诺数的情况下,数值模拟需要非常精细的网格来分辨边界层流动,解决的方法便>Gi发展高雷诺数计算湍流模型。
3方杵和矩形柱静气动参数及流场数位桟拟..................18
3.1基于RANS的二维方柱静气动参数及流场数值模拟..................18
3.2基于 LES的三维方柱静气动参数及流场数值模拟..................25
3.3方形断面的气动优化..................31
3.4不同宽高比矩形柱静气动参数及流场数位模拟..................34
4桥塔风载体型系数及流场数值模拟..................42
4.1引言..................42
4.2工程背景..................42
4.3数值模型..................43
4.4计算结果及分析..................46
4.5小结..................51
5桥梁主梁断面静气动力系数及流场数值模拟..................52
5.1薄平板静气动力系数及流场数位模拟..................52
5.2流线型主梁断面静气动力系数及流场数位模拟..................55
5.3钝体卞梁断静气动力系数及流场数位模拟..................62
结 论
本文借助CFD技术,对桥梁结构中典型构件的气动参数进行了数值模拟识别,取得了如下主要成果和结论:
(1)倒角同吋减小了断而的升力系数脉动值,增大了Strouhal数。此外,倒凹角对断而的气动参数和流场影响最大。
(2)流线型断面或是钝体断面的自激力都包含高阶谐波分量。流线型断面自激力的高阶谐波分量很小,而钝体断面自激力的谐波分量较高,表明钝体断面的自激力是模型振动的一种非线性响应,验证了用气动导数表示钝体断面的自激力只是一种线性近似。
(3)对于流线型断面,小振幅条件下振幅对气动导数的影响很小,但是随着振幅的进一步增大,振幅对气动导数的影响明显增大。而对于钝体主梁断面,即使在小振幅条件下,振幅的大小对其气动导数也有较大的影响,表明振动幅值对钝体断面气动导数影响更大。此外,桥梁断面在大振幅激励下,表现出强烈的非线性,基于Scanlan线性假设的气动导数将不能准确的表示大振幅激励下桥梁断面的自激力。
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