基于二維ngk-湍流模型的曲線風(fēng)障減風(fēng)效果研究

基于二維ngk-湍流模型的曲線風(fēng)障減風(fēng)效果研究

由于高速飛機(jī)的禁止，橋梁上的交通泥漿也將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和員工損失。因此，近20年來(lái)，設(shè)計(jì)師們開始設(shè)計(jì)橋梁的風(fēng)障，提高橋梁的利用率，確保行車安全。英國(guó)賽文橋、賽文二橋、香港青馬大橋、法國(guó)MillauViaduct橋等都設(shè)置了部分風(fēng)障或全橋風(fēng)障,為橋梁風(fēng)障設(shè)計(jì)提供了成功的實(shí)例。近幾年,國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)時(shí)也考慮了風(fēng)障的設(shè)置,尤其是位于高風(fēng)速區(qū)的東部沿海地區(qū)大跨度橋梁,如杭州灣大橋等。大跨度橋梁的抗風(fēng)性能對(duì)其斷面形狀十分敏感,設(shè)置橋梁風(fēng)障必然會(huì)改變其抗風(fēng)性能。因此,風(fēng)障對(duì)橋梁本身抗風(fēng)性能的影響成為了橋梁風(fēng)障設(shè)計(jì)的主要控制因素。目前,研究風(fēng)障對(duì)橋梁抗風(fēng)性能影響的主要手段仍然是風(fēng)洞試驗(yàn),但是風(fēng)洞試驗(yàn)本身仍存在一定弊端和缺陷。在試驗(yàn)?zāi)M上,風(fēng)洞試驗(yàn)存在著雷諾數(shù)效應(yīng)、紊流模擬不準(zhǔn)等問(wèn)題;在風(fēng)速測(cè)量上,由于鈍體繞流的方向的不確定性,無(wú)論皮托管還是熱線風(fēng)速儀都無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)速;此外,風(fēng)洞試驗(yàn)的代價(jià)比較昂貴。流體力學(xué)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬(CFD模擬)是一種研究流體流動(dòng)等物理現(xiàn)象的現(xiàn)代技術(shù),該方法可以直接模擬實(shí)際紊流風(fēng)對(duì)橋梁的繞流現(xiàn)象,由于這種方法沒(méi)有采用縮尺關(guān)系,故不存在風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M的雷諾數(shù)效應(yīng)等問(wèn)題;而數(shù)值模擬是對(duì)空間模型進(jìn)行計(jì)算,因此也能較好地計(jì)算風(fēng)速大小和方向。隨著計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的改進(jìn),現(xiàn)代CFD模擬技術(shù)已經(jīng)能夠從對(duì)簡(jiǎn)單的層流運(yùn)動(dòng)模擬發(fā)展到對(duì)轉(zhuǎn)捩、湍流、燃燒、爆炸、激波等復(fù)雜流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精細(xì)化模擬。作者借助于大型流體計(jì)算通用軟件FLUENT6.3對(duì)橋梁風(fēng)障減風(fēng)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過(guò)這種方法研究了不同透風(fēng)率不同風(fēng)攻角下風(fēng)障對(duì)橋梁風(fēng)障減風(fēng)效果的大小,通過(guò)對(duì)比主梁氣動(dòng)三分力大小、車道中心線處風(fēng)剖面和風(fēng)速折減系數(shù)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性,并且分析了風(fēng)速流場(chǎng)分布和風(fēng)速折減系數(shù)曲線變化規(guī)律,總結(jié)出透風(fēng)率大小、風(fēng)攻角的改變以及不同車道的風(fēng)障減風(fēng)效果。1k-模型對(duì)比鈍體的繞流由于伴隨著流動(dòng)的分離、再附以及尾流區(qū)內(nèi)非定常旋渦脫落等復(fù)雜特性而成為計(jì)算流體力學(xué)的熱點(diǎn)問(wèn)題。近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、離散渦、大渦模型(LES)對(duì)方柱繞流問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究表明:標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型不能合理模擬鈍體繞流中流動(dòng)的分離、再附等復(fù)雜特性;離散渦和大渦模型則能準(zhǔn)確模擬鈍體繞流的復(fù)雜特性,但其計(jì)算量龐大,目前運(yùn)用于復(fù)雜鈍體需要較高硬件條件,耗費(fèi)時(shí)間和精力較大;作者分別用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,SSTk-ω模型和RNGk-ε湍流模型進(jìn)行橋梁風(fēng)障模擬對(duì)比后,發(fā)現(xiàn)RNGk-ε湍流模型能較好地地模擬鈍體繞流問(wèn)題,并且硬件要求相對(duì)較低,計(jì)算量相對(duì)較小。RNGk-ε湍流模型是基于重整化群(RenormalizationGroup,RNG)技術(shù)的一種湍流模型,其基本思想是通過(guò)在任意空間尺度上一系列連續(xù)的變換,對(duì)原本十分復(fù)雜的系統(tǒng)或過(guò)程實(shí)現(xiàn)粗分辨率的描述。采用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行鈍體二維繞流的控制方程為式中,ˉuiuk=2/3kδij-vt(?ui/?xj+?uj/?xi)?uuiukˉˉˉˉˉˉ=2/3kδij?vt(?ui/?xj+?uj/?xi)?u為流體的速度,δij為克羅內(nèi)克數(shù),v=v0+vt為流體的運(yùn)動(dòng)粘度,vt為湍流運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù),vt=Cu(k2/ε),Sij=?ui/?xj+?uj/?xj,上述參數(shù)取值為c1=1.42,c2=1.68,αk=αε=1.39。方程中附加項(xiàng)R代表平均應(yīng)變對(duì)ε的影響,其表達(dá)式為R=2vSijˉ?u′i?u′i?xj?xi=cuη2(1-η/η0)1+βη3ε3kR=2vSij?u′i?u′iˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ?xj?xi=cuη2(1?η/η0)1+βη3ε3k式中,η=Sk/ε是湍流時(shí)間尺度和平均流時(shí)間尺度之比,S=(2SijSij)1/2是應(yīng)變率張量的范數(shù),η0是η在均勻剪切流中的典型值,模型其它常數(shù)取值為cμ=0.0845,β=0.012。2計(jì)算結(jié)果及分析以寧波象山港大橋風(fēng)障性能研究為背景,其橋梁斷面及風(fēng)障造型如圖1所示,考慮美學(xué)因素后風(fēng)障被設(shè)計(jì)成半橢圓曲線型,并且風(fēng)障與檢修道護(hù)欄組成一個(gè)整體,上部為風(fēng)障,下部為檢修道護(hù)欄。橋梁斷面高度為H=3.5m,寬度為D=34m(H/D=1/9.7),其中風(fēng)障頂部高度為3m(Hw/D=1/11.3)。計(jì)算區(qū)域及邊界條件如圖2所示,其中計(jì)算區(qū)域左邊界設(shè)置為速度入口,右邊界設(shè)置為自由出流,橋梁斷面采用無(wú)滑移固壁邊界條件,且摩擦系數(shù)為0.5,上下邊界設(shè)置為有滑移固壁邊界條件,其中剪切應(yīng)力計(jì)算為u/uτ=ρuτy/μ模擬模型計(jì)算工況如表1所示,其中風(fēng)攻角有±5°,±3°和0°,風(fēng)障透風(fēng)率為50%,60%,70%,此外為了對(duì)比研究還計(jì)算了成橋無(wú)風(fēng)障狀況。由于模擬采用的二維模型,故風(fēng)障、檢修道護(hù)欄以及防撞欄桿均采用塊模擬,其中風(fēng)障采用4個(gè)塊模擬,根據(jù)塊的投影面積大小模擬風(fēng)障的不同透風(fēng)率;防撞欄桿和檢修道護(hù)欄均忽略了其豎向欄桿,為了滿足透風(fēng)率的大小,模型中對(duì)兩者的縱向欄桿進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?shù)值模擬采用獨(dú)立臺(tái)式計(jì)算機(jī)計(jì)算,每個(gè)工況所需時(shí)間約為10h,具體模型計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量、雷諾數(shù)大小以及計(jì)算機(jī)硬件等相關(guān)條件如表2所示。3透風(fēng)率對(duì)橋面垂直結(jié)構(gòu)的影響郭震山,朱樂(lè)東等對(duì)寧波象山港大橋風(fēng)障性能以及橋面行車風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)研究,采用高頻動(dòng)態(tài)天平進(jìn)行節(jié)段模型測(cè)力,研究對(duì)不同透風(fēng)率的曲線風(fēng)障對(duì)橋梁斷面三分力系數(shù)的影響(共包含50%,60%和70%透風(fēng)率曲線風(fēng)障以及成橋無(wú)風(fēng)障4種工況);采用排式皮托管對(duì)大比例模型橋面上部行車空間進(jìn)行測(cè)壓,研究標(biāo)準(zhǔn)斷面和橋塔附近處風(fēng)障對(duì)行車風(fēng)環(huán)境的改善情況。下面分別將CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)得的主梁氣動(dòng)三分力以及標(biāo)準(zhǔn)斷面橋面5m高度的風(fēng)剖面和風(fēng)速折減系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。3.1試驗(yàn)結(jié)果圖3為設(shè)置不同透風(fēng)率的曲線風(fēng)障標(biāo)準(zhǔn)主梁斷面氣動(dòng)三分力系數(shù)的CFD結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。從圖3中可以看出,CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)所得的阻力系數(shù)十分接近,除了個(gè)別工況外(50%和60%透風(fēng)率的風(fēng)障-5°風(fēng)攻角下阻力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果分別比試驗(yàn)值大5.13%和8.15%),其它工況CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值相差均在±5%以內(nèi)。CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)所得的升力系數(shù)和扭矩系數(shù)相差±50%左右,但是考慮到升力系數(shù)和扭矩系數(shù)數(shù)值均較小,并且不同風(fēng)攻角下CFD計(jì)算的升力和扭矩方向與試驗(yàn)結(jié)果完全一致,升力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化趨勢(shì)也基本相同,因此升力系數(shù)和扭矩系數(shù)的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值的差別是可以接受的。圖4為成橋無(wú)風(fēng)障標(biāo)準(zhǔn)主梁斷面氣動(dòng)三分力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比。由圖4中可以看出,除-5°風(fēng)攻角下阻力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果分別比試驗(yàn)值大9.7%外,其它工況下,阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相差均在±5%以內(nèi)。與有風(fēng)障的工況計(jì)算結(jié)果類似,成橋無(wú)風(fēng)障狀態(tài)下,升力系數(shù)和扭矩系數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值也相差±50%左右。此外,從圖4中氣動(dòng)三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化的趨勢(shì)可以看出,CFD計(jì)算結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果更為緩和。并且分析各個(gè)工況發(fā)現(xiàn),負(fù)風(fēng)攻角狀況下,CFD計(jì)算結(jié)果均大于試驗(yàn)值;正風(fēng)攻角狀況下,CFD計(jì)算結(jié)果由大于試驗(yàn)值趨向于小于試驗(yàn)值,并且在3°風(fēng)攻角左右接近相等。綜上所述,雖然二維模型對(duì)實(shí)際橋梁斷面進(jìn)行了一定得簡(jiǎn)化,但仍能準(zhǔn)確地計(jì)算不同風(fēng)攻角下橋梁斷面氣動(dòng)三分力系數(shù),計(jì)算偏差在10%以內(nèi),可以用于研究風(fēng)障對(duì)橋梁斷面氣動(dòng)三分力影響的研究。3.2cfd風(fēng)速計(jì)算值對(duì)比圖5為成橋無(wú)風(fēng)障狀態(tài)下,橋面4個(gè)車道中心線處風(fēng)剖面數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從圖5中可以看出,4個(gè)車道風(fēng)剖面大致可以分為3部分:減風(fēng)效果內(nèi)的低風(fēng)速區(qū)(屏蔽區(qū)),減風(fēng)效果外的高風(fēng)速區(qū)(屏蔽外區(qū)),中間過(guò)渡區(qū)(過(guò)渡區(qū))。處于流場(chǎng)上游的車道1和車道2風(fēng)剖面CFD計(jì)算值和試驗(yàn)值總體走勢(shì)較為接近,風(fēng)剖面3個(gè)風(fēng)速區(qū)的高度基本一致。但是屏蔽區(qū)的風(fēng)速計(jì)算值要大于試驗(yàn)值,屏蔽外區(qū)的風(fēng)速計(jì)算值要小于試驗(yàn)值,過(guò)渡區(qū)的風(fēng)速計(jì)算值與試驗(yàn)值變化趨勢(shì)十分接近。處于流場(chǎng)下游的車道3和車道4風(fēng)剖面圖CFD計(jì)算值和試驗(yàn)值總體走勢(shì)十分接近,下游區(qū)的屏蔽內(nèi)區(qū)比上游區(qū)屏蔽內(nèi)區(qū)高度要小,下游過(guò)渡區(qū)比上游過(guò)渡區(qū)高度明顯要大,并且下游屏蔽外區(qū)比上游屏蔽外區(qū)起始高度要大。這說(shuō)明風(fēng)障的屏蔽范圍呈扇形擴(kuò)散,與風(fēng)障距離越遠(yuǎn),屏蔽高度越高,但減風(fēng)效果越不明顯。圖6為60%曲線風(fēng)障狀態(tài)下,橋面4個(gè)車道中心線處風(fēng)剖面數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從圖6中可以看出,4個(gè)車道風(fēng)剖面沒(méi)有明顯的分區(qū),但是CFD風(fēng)速計(jì)算值與試驗(yàn)值總體變化趨勢(shì)仍較為接近。處于流場(chǎng)上游的車道1和車道2的CFD風(fēng)速計(jì)算值隨著高度的變化波動(dòng)較大,試驗(yàn)值也有波動(dòng)現(xiàn)象但是波動(dòng)幅度不大。并且可以看出防撞欄高度(1.5m)內(nèi)CFD風(fēng)速計(jì)算值要明顯大于風(fēng)速試驗(yàn)值(平均相差兩倍以上),這可能由以下2點(diǎn)原因造成:CFD模擬是二維模型,無(wú)法模擬檢修道欄桿的豎向欄桿,雖然對(duì)透風(fēng)率大小進(jìn)行了修正,但防撞欄高度內(nèi)的透風(fēng)狀況仍與實(shí)際情況有差別,這導(dǎo)致了CFD風(fēng)速計(jì)算值偏高;此外,從風(fēng)速流場(chǎng)分布中可以看出,上游車道內(nèi)具有明顯的旋渦脫落和再附現(xiàn)象,風(fēng)速方向與來(lái)流風(fēng)速方向有較大差別,這導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)皮托管測(cè)量的風(fēng)速偏低。3.3來(lái)流風(fēng)速ld根據(jù)實(shí)際風(fēng)剖面可以計(jì)算出相應(yīng)的等效風(fēng)速,其計(jì)算原理是用矩形風(fēng)剖面等效實(shí)際風(fēng)剖面,等效原則為矩形風(fēng)剖面和實(shí)際風(fēng)剖面壓力總和相等。將等效風(fēng)速無(wú)量綱后即可得到風(fēng)速折減系數(shù),一定高度范圍內(nèi)風(fēng)剖面的風(fēng)速折減系數(shù)可按下式計(jì)算r=√∫Η0(v/v0)2dΗ/Η式中,r為風(fēng)速折減系數(shù),H為風(fēng)剖面高度,V為風(fēng)剖面內(nèi)風(fēng)速值,V0為來(lái)流風(fēng)速。表3為5m高度處風(fēng)速折減系數(shù)CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從表3中可以看出,除了個(gè)別工況(成橋車道4和曲線風(fēng)障車道2的風(fēng)速折減系數(shù)CFD計(jì)算值和試驗(yàn)值偏差為10.54%和15.09%)以外,成橋無(wú)風(fēng)障和60%曲線風(fēng)障狀態(tài)下風(fēng)速折減系數(shù)CFD計(jì)算值和試驗(yàn)值偏差均在10%以內(nèi)。成橋無(wú)風(fēng)障狀況下,上游兩車道的風(fēng)速折減系數(shù)要小于下游車道的風(fēng)速折減系數(shù);60%曲線風(fēng)障狀態(tài)下,上游兩車道的風(fēng)速折減系數(shù)要大于下游車道的風(fēng)速折減系數(shù)。這主要是風(fēng)剖面的高風(fēng)速區(qū)風(fēng)壓在風(fēng)速折減系數(shù)的計(jì)算中所占權(quán)重較大的原因,高風(fēng)速區(qū)風(fēng)速計(jì)算值明顯大于試驗(yàn)值時(shí),影響最為顯著。4風(fēng)障與減少風(fēng)力的影響4.1不同風(fēng)攻角下的速度場(chǎng)分布圖7為60%曲線風(fēng)障和成橋無(wú)風(fēng)障狀態(tài)下橋梁斷面附近速度流場(chǎng)分布對(duì)比。從旋渦分布對(duì)比可以看出,橋梁斷面設(shè)置了曲線風(fēng)障后橋面一定高度范圍內(nèi)旋渦脫落和再附現(xiàn)象十分明顯,風(fēng)障頂部產(chǎn)生了規(guī)則的旋渦脫落,防撞欄桿高度內(nèi),旋渦脫落較為雜亂并且主要是由防撞欄頂部脫落的旋渦和橋面氣流附著產(chǎn)生的旋渦2部分組成;同時(shí)可以觀察到60%曲線風(fēng)障和成橋無(wú)風(fēng)障2種狀態(tài)的下游車道內(nèi)旋渦已不再明顯,流場(chǎng)較為接近,可以認(rèn)為上游風(fēng)障對(duì)下游車道的減風(fēng)效果已影響較小。從風(fēng)速大小分布可以知道,距離橋面較遠(yuǎn)的區(qū)域風(fēng)速已趨于穩(wěn)定,由于已在風(fēng)障減風(fēng)效果以外,該區(qū)域速度大小均接近了來(lái)流風(fēng)速大小;60%曲線風(fēng)障狀態(tài)下風(fēng)障頂部和防撞欄頂部之間的高度范圍內(nèi)風(fēng)速明顯要小于成橋無(wú)風(fēng)障的相應(yīng)高度范圍的風(fēng)速,這也是風(fēng)障減風(fēng)效果的主要體現(xiàn);60%曲線風(fēng)障狀態(tài)下的橋面至防撞欄高度范圍內(nèi)的風(fēng)速比成橋無(wú)風(fēng)障的相應(yīng)高度范圍的風(fēng)速略低,但由于旋渦存在,風(fēng)速分布要更加雜亂;橋梁斷面以下區(qū)域,由于處于風(fēng)障減風(fēng)效果以外,2種狀態(tài)下無(wú)論風(fēng)速大小還是風(fēng)速分布均較為一致。分析不同風(fēng)攻角下60%曲線風(fēng)障橋梁斷面的速度流場(chǎng)分布可以看出,隨著風(fēng)攻角由負(fù)向正變化,無(wú)論上游車道還是下游車道的旋渦數(shù)量由少變多,正風(fēng)攻角下旋渦十分雜亂;此外,正風(fēng)攻角狀態(tài)下低風(fēng)速范圍比負(fù)風(fēng)攻角狀態(tài)的低風(fēng)速范圍大,零度風(fēng)攻角狀態(tài)的低風(fēng)速范圍居中。由此可見,不同風(fēng)攻角下風(fēng)障的減風(fēng)效果存在明顯差異,其中正風(fēng)攻角下的風(fēng)障減風(fēng)效果最明顯。4.2風(fēng)障減風(fēng)效果分析圖8為不同風(fēng)攻角下60%曲線風(fēng)障車道中心線處5m高度時(shí)風(fēng)速折減系數(shù)的變化趨勢(shì)。從圖8中可以看出,上游車道1和車道2的風(fēng)速折減系數(shù)隨著風(fēng)攻角的改變呈平緩變化趨勢(shì),下游車道3和車道4的風(fēng)速折減系數(shù)隨著風(fēng)攻角的增大呈線性遞減趨勢(shì)。負(fù)攻角下車道1和車道2的風(fēng)速折減系數(shù)基本相等(偏差在2%以內(nèi)),但正攻角下,距離風(fēng)障越遠(yuǎn)的車道2的風(fēng)速折減系數(shù)明顯小于距離風(fēng)障近的車道1(5°風(fēng)攻角下,車道2的風(fēng)速折減系數(shù)僅為車道1風(fēng)速折減系數(shù)的84.1%)。這主要與風(fēng)剖面內(nèi)風(fēng)障減風(fēng)效果影響范圍有關(guān),風(fēng)剖面積大小、風(fēng)障高度與風(fēng)障的距離的比值以及來(lái)流風(fēng)攻角決定了風(fēng)障減風(fēng)效果的大小。當(dāng)來(lái)流風(fēng)攻角和風(fēng)障高度一定時(shí),距離風(fēng)障較近的車道1必然比車道2所受的風(fēng)障減風(fēng)效果影響范圍大。不同風(fēng)攻角下,處于下游的車道3和車道4的風(fēng)速折減系數(shù)基本相等(平均偏差為3.3%,最大偏差為6.4%),并且風(fēng)速折減系數(shù)隨著風(fēng)攻角的增加呈線性下降,這可能是車道3和車道4已經(jīng)受風(fēng)障減風(fēng)效果影響較小的緣故,此時(shí)風(fēng)速折減系數(shù)主要取決于風(fēng)攻角大小。圖9和圖10分別為不同分攻角下不同透風(fēng)率上下游車道的風(fēng)速折減系數(shù)的對(duì)比圖。由圖9可知,上游車道1在透風(fēng)率為5