雙幅橋主梁的氣動干擾效應研究

雙幅橋主梁的氣動干擾效應研究

由于主梁的距離較近，在氣流的作用下，上部丘陵和下部丘陵之間存在一定的相互作用。這種影響被稱為雙翼橋面的“氣干擾效應”。國內(nèi)外科學家對不同類型的鈍體流進行了大量的實驗研究和數(shù)值模擬。結(jié)果表明，鈍體之間存在運動干擾效應，對旋轉(zhuǎn)特性有重大影響。郭春平、白華等通過節(jié)段模型風孔試點研究了喬恩-國際機場的氣候?qū)W穩(wěn)定。結(jié)果表明，橋面之間的運動干擾對橋的氣候?qū)W穩(wěn)定有顯著影響。郭春平、白華等通過計算流量動力學（rcd）方法，研究了三河流域較大連續(xù)橋的第三動力系數(shù)的運動干擾效應。結(jié)果表明，由于被動干擾效應，它們被忽視。在計算三個力系數(shù)的情況時，主要采用風洞試驗和cfd值模擬的方法。風洞測試具有高成本和高周期的限制。隨著計算機的發(fā)展，計算機脈沖（cfd）為研究雙幅橋主梁第三單元的動力干擾效應提供了一條捷徑。在這項工作中，基于cfd方法，本文以北盤江特大橋工程為背景，研究了不同風速條件下主梁距離和風攻擊角對雙幅橋主梁第三單元的影響。1計算模型和計算方法1.1主梁湍流模型及控制方程三分力系數(shù)數(shù)值模擬的基本思路是將微分方程表示的數(shù)學模型離散為代數(shù)方程的形式,對代數(shù)方程求解,得到計算區(qū)域內(nèi)各節(jié)點的速度和壓力以及斷面的阻力、升力和升力矩,將三分力無量綱化得到三分力系數(shù).體軸坐標系下的三分力系數(shù)定義如下:Cd=2Fd/ρU2H,(1)Cl=2Fl/ρU2B,(2)Cm=2MT/ρU2B2.(3)Cd=2Fd/ρU2Η,(1)Cl=2Fl/ρU2B,(2)Cm=2ΜΤ/ρU2B2.(3)式中:H為橋梁斷面的高度;B為斷面寬度;U為來流風速;ρ為空氣密度,取1.225kg/m3.主梁縱向尺度大,計算模型近似按二維處理,數(shù)學模型采用雷諾時均N-S方程.為考慮湍流效應,引入常用的S-A單方程湍流模型.二維定常不可壓控制方程可表示為:?u?x+?v?y=0.(4)u?u?x+v?u?y=?1ρ?p?x+2??x(υeff?u?x)+??y[υeff(?u?y+?v?x)],(5)u?v?x+v?v?y=?1ρ?p?y+2??y(υeff?v?x)+??x[υeff(?u?y+?v?x)],(6)??t(ρυˉ)+??x(ρυˉu)=1σD{??x[(μ+ρυˉ)?υˉ?x]+Cb2ρ(?υˉ?x)2}+Gυ?Yυ+Sυˉ.(7)?u?x+?v?y=0.(4)u?u?x+v?u?y=-1ρ?p?x+2??x(υeff?u?x)+??y[υeff(?u?y+?v?x)],(5)u?v?x+v?v?y=-1ρ?p?y+2??y(υeff?v?x)+??x[υeff(?u?y+?v?x)],(6)??t(ρυˉ)+??x(ρυˉu)=1σD{??x[(μ+ρυˉ)?υˉ?x]+Cb2ρ(?υˉ?x)2}+Gυ-Yυ+Sυˉ.(7)式中,u為流場內(nèi)氣流沿x軸方向速度;v為流場內(nèi)氣流沿y軸方向速度;p為流場壓力;ρ為流場空氣密度;υˉυˉ為湍流粘度;Gυ為湍流粘度的增加項;Yυ為湍流粘度的減少項;υ為運動粘度;Sυ為模型用戶自定義源項;Cb2為模型常量,取0.662.1.2研究參數(shù)選取北盤江特大橋主橋為雙幅預應力混凝土空腹(斜腿)式連續(xù)剛構(gòu),以距橋梁中心線124m處截面為特征斷面進行研究(圖1).梁高h=4.65m,梁寬B=10.5m,上下游兩橋面的間距D=0.5m.本研究以主梁間距、風攻角和風速為研究參數(shù),D值分別取D=0.108h和D=h、D=4h;風速3～21m/s每隔3m/s取值;風攻角取±10°、±5°、0°這5種工況.CFD數(shù)值模擬時,建立雙幅主梁和流域的計算模型(圖2).入口邊界距上游主梁為15B,出口邊界距下游主梁為25B,B為主梁寬.繞流時采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,在主梁周圍區(qū)域進行網(wǎng)格加密(圖3～圖4),近壁面最小網(wǎng)格尺寸可用式(8)估算第一層網(wǎng)格的高度Δy滿足y+≈1的要求.空氣密度ρ=1.225kg/m3,運動粘性系數(shù)ν=1.545×10-5m2/s.邊界條件如下設置:入口邊界中設置速度入口,出口邊界為出流邊界條件,上下邊界采用對稱邊界,主梁采用壁面邊界.y+=0.172ΔyDRe0.9.(8)y+=0.172ΔyDRe0.9.(8)2試驗結(jié)果對比為驗證本文方法的正確性,計算雙幅主梁間距D=0.5m,風攻角為0°,風速為10m/s工況下的阻力系數(shù)Cd、升力系數(shù)Cl和扭矩系數(shù)Cm,并與風洞試驗結(jié)果進行對比.Flunt計算迭代500步左右能得到穩(wěn)定的三分力系數(shù)時程曲線.根據(jù)三分力系數(shù)時程曲線可以得到上游主梁三分力系數(shù)Cd1、Cl1、Cm1、和下游主梁三分力系數(shù)Cd2、Cl2、Cm2的平均值,見表1.上述氣動系數(shù)的計算結(jié)果與長安大學風洞試驗的響應結(jié)果吻合較好,因此本文的計算模型及方法能較好地模擬雙幅橋面主梁的三分力系數(shù).3氣動干擾效應的量化分析本節(jié)基于CFD實現(xiàn)計算模型離散化研究雙幅橋面主梁三分力系數(shù)氣動干擾效應.雙幅主梁影響因素主要有主梁間距、風攻角、來流風速等.計算仿真時,通過改變主梁水平間距D、風攻角β、來流風速V的取值,來研究它們對三分力系數(shù)氣動干擾效應的影響.另外,針對氣動干擾效應影響,需引入適當?shù)膮?shù),以便進行量化分析.干擾效應的量化一般用干擾因子(Interferencefactor,IF)表示,定義如下:IF(Cij)=雙幅上(下)游主梁某分力系數(shù)單幅主梁對應分力系數(shù).(9)ΙF(Cij)=雙幅上(下)游主梁某分力系數(shù)單幅主梁對應分力系數(shù).(9)式中,i取值為d、l、m,j取值為1、2.d為阻力系數(shù),l為升力系數(shù),m為扭矩系數(shù);1為上游,2為下游.3.1不同高度的主梁和下游主梁升力系數(shù)雙幅橋面主梁在均勻來流作用下會發(fā)生氣動干擾效應,首先就主梁間距對氣動干擾效應的影響進行數(shù)值模擬.取風攻角保持0°不變,雙幅橋面兩主梁水平間距D分別取0.108h(0.5m)、h、4h,計算得到不同主梁間距下三分力系數(shù)隨來流風速V變化曲線如圖5-7所示.由圖5-7可看出,與單幅橋相比,雙幅橋上游主梁的存在對處在其尾流中的下游主梁影響很大,下游主梁的存在同時也對上游主梁有一定的影響.具體表現(xiàn)在以下幾個方面:1)與單幅橋相比,上游主梁阻力系數(shù)在D=0.108h和D=h時有一定增大,當D=4h時,其值又回到單幅橋阻力系數(shù)附近波動;然而,下游主梁阻力系數(shù)與單幅橋相比均有明顯減小,且在D=0.108h和D=h時,阻力系數(shù)出現(xiàn)反號,即阻力方向發(fā)生逆轉(zhuǎn).2)與單幅橋相比,上、下游主梁升力系數(shù)均明顯減小,但減幅不同,下游主梁減幅更大;下游主梁在D=0.108h和D=h時,升力系數(shù)出現(xiàn)反號,也即升力方向發(fā)生逆轉(zhuǎn).3)與單幅橋相比,上游主梁扭矩系數(shù)在D=0.108h和D=h時,顯著減小,當D=4h時,又略微增大;下游主梁扭矩系數(shù)則減幅更大,在D=0.108h和D=h時,扭矩系數(shù)出現(xiàn)反號,扭矩方向也發(fā)生逆轉(zhuǎn).4)風速對三分力系數(shù)均有影響,但影響很小.為直觀考察主梁間距對雙幅橋氣動干擾效應影響,按公式(9)處理,將計算結(jié)果繪制成不同主梁間距下氣動干擾因子隨來流風速V變化曲線.由圖8-10可看出:1)雙幅橋主梁間距D對上、下游主梁三分力系數(shù)氣動干擾效應有一定影響,但與上游相比下游的干擾效應更為明顯.2)無論上游還是下游,隨著主梁間距D的增大,主梁氣動干擾因子越來越接近1,也即氣動干擾效應越小.可以推想,當主梁間距足夠大時,雙幅橋相當于距離相隔很遠的兩孤立單幅橋,彼此對各自流場中壓力與速度場的分布沒有影響,其干擾因子為1.所以隨著D的增大,干擾因子的極限值為1.3)不同的分力系數(shù),氣動干擾效應也存在差別.對于阻力系數(shù),上游主梁干擾因子在0.95～1.15之間,阻力系數(shù)變化幅度在14.3%以內(nèi);而下游主梁在D=4h時,干擾因子在0.4左右,阻力系數(shù)降低了近58.2%,D=0.108h和D=h時,阻力方向甚至發(fā)生逆轉(zhuǎn),因而干擾因子均小于0,呈現(xiàn)出負干擾.上游主梁升力系數(shù)干擾因子在0.4～0.5之間,升力系數(shù)降低了近55%;下游主梁升力干擾因子在D=4h時為0.22左右,降低了77.5%,D=0.108h和D=h時,升力方向也發(fā)生逆轉(zhuǎn),同樣呈現(xiàn)負干擾.上游主梁扭矩系數(shù)干擾因子在0.3～1.1之間,而下游干擾因子在D=4h時為0.1左右,D=0.108h和D=h時,扭矩方向發(fā)生逆轉(zhuǎn),仍呈現(xiàn)出負干擾.4)阻力系數(shù)干擾因子隨風速增加而減小,然而變化不大;除D=4h外,升力系數(shù)干擾因子和扭矩系數(shù)干擾因子基本上不隨風速變化,D=4h時,有一定波動,但幅度在19.3%以內(nèi).3.2主梁氣動干擾效應風攻角對氣動干擾效應也存在影響,因此,有必要對不同風攻角的雙幅主梁氣動干擾效應進行數(shù)值仿真研究.取D=0.5m,風攻角取±10°、±5°、0°,計算得到不同風攻角下上、下游主梁三分力系數(shù)干擾因子隨來流風速V變化曲線如圖11-16所示.由圖11-13可看出:1)上游主梁阻力系數(shù)氣動干擾因子在0.9～1.2之間,與1相差不大,說明上游阻力系數(shù)與單幅橋相比變化不大,而此時風攻角的影響不能忽視,5°、10°時約為1,而0°、-5°、-10°時均基本大于1.05,風攻角為負值時對阻力系數(shù)的干擾效應比其值為正時大.2)上游升力系數(shù)干擾因子取值在0.3左右,只是在10°突變?yōu)?0.15.3)上游主梁扭矩系數(shù)干擾因子在風攻角為正時也在0.3左右取值,而負攻角時在-0.15左右.風攻角為負值時對阻力系數(shù)的干擾效應比其值為正時大.由圖14-16可看出,下游主梁阻力系數(shù)氣動干擾效應隨風攻角的增加而減弱.下游主梁升力系數(shù)表現(xiàn)為風攻角為正值時對升力系數(shù)的干擾效應比負值時大.下游主梁扭矩系數(shù)干擾效應隨攻角的增加而增強.4氣動干擾效應1)根據(jù)計算流體力學基本原理,將微分方程表示的數(shù)學模型離散為代數(shù)方程.借助Fluent軟件計算雙幅橋主梁三分力系數(shù),其結(jié)果與風洞試驗吻合較好,誤差約為8.73%,最大不超過12%.數(shù)值模擬可以有效的分析雙幅橋主梁三分力系數(shù)的氣動干擾效應,得到其氣動特性.2)與單幅橋主梁的三分力系數(shù)相比,雙幅橋主梁上、下游三分力系數(shù)均存在一定的干擾效應.但上游主梁的存在對處在其尾流中的下游主梁影響比下游主梁對上游主梁的影響要顯著得多.另外,在主梁間距D較小時,下游主梁三分力的方向與單幅橋相比