基于cfd的流线形桥梁断面雷诺数效应研究

基于cfd的流线形桥梁断面雷诺数效应研究

0基于雷诺数效应的桥梁断面规划在过去很长一段时间里，风设计假设尖锐边缘段的实体（即钝体）周围的流场不依赖于雷诺数的变化。基于此假定,在对桥梁断面的空气动力学研究中,由低风速风洞模型试验中获取的一系列空气动力学参数都直接地应用于实桥的相应值。而越来越多的实践表明,在钝体断面的桥梁结构流场中存在着雷诺效应,应引起足够的重视,否则很可能引起无法预计的严重后果。Schewe等在压力风洞中测量了大海带桥引桥断面三分力系数,发现雷诺数Re为7×104的阻力系数比雷诺数Re为3×106的阻力系数大14%;许志豪等测量了香港的昂船洲桥三分力系数,发现该桥在0°攻角的阻力系数随雷诺数增加而增加;Barre等人测量Normandi桥断面的3个模型(缩尺分别为1∶10、1∶50、1∶200)三分力时发现,它们的三分力系数曲线不重合,而升力―角度曲线相差较大,他归结为雷诺数效应;Hoxey等通过对低矮建筑物作了一系列实桥测量和风洞模拟试验后得到了在钝体分离流中存在着雷诺效应的结论;同济大学李加武、林志兴等也对桥梁断面雷诺数效应开展了一些研究,指出流线形桥梁断面存在明显的三分力系数雷诺数效应。目前雷诺数效应研究也多借助物理风洞试验,通过改变模型尺寸、试验风速或者介质特性而改变雷诺数大小,手段单一,无法进行多断面研究,且要实现一个完整的试验过程需要解决一系列复杂的技术问题,所需周期长,费用也很高。CFD(计算流体力学)的发展给风工程研究提供了一种可能代替风洞试验的手段,即数值模拟。当前,国内学者应用数值模拟方法对桥梁断面三分力系数的雷诺数效应研究较少,本研究采用CFD软件FLUENT,雷诺数变化范围为103~106。首先建模计算不同雷诺数下流线形断面的三分力系数,其后以获得的风洞试验数据与计算结果进行对比,总结应用数值模拟方法计算桥梁断面雷诺效应选择的合理湍流模型、合理参数的基本规律,最后以此为依据,以实际工程苏通桥为例计算桥梁断面的三分力系数。1随着黎诺数的变化，流线面的三个力系数变化1.1结果网格网格设置采用FLUENT前处理器GAMBIT形成网格。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。网格划分见图1。1.2湍流计算模型的选择(1)Spalart-Allmaras模型(模型1):该模型是一种相对简单的方程模型,仅仅考虑了动量的传递过程。它包含了一组最新发展的单方程模型,在这些方程中不必要去计算和局部剪切层厚度相关的长度尺度。单方程模型的缺点在于对长度尺度的变化不敏感,但当对湍流计算的精度要求并不是十分高时,这种模型是最好的选择。(2)标准k-ε模型(模型2):该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k-ε模型变为两方程模型。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。(3)雷诺应力方程模型(模型3):雷诺应力模型是考虑所有2阶关联量而建立输运方程,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。该方程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,难以在工程计算中应用,为节约计算时间还要加以简化。2试验方法与数值模型方法的结果的比较和分析利用试验方法和数值模拟方法得到的三分力系数随雷诺数的变化曲线见图2。3苏通桥段三个单元的雷诺数效应3.1对湍流模型的计算从计算结果的准确性上来看,标准k-ε模型和雷诺应力模型的计算值与试验值相差不大,都能较好地模拟2个数量级下不同雷诺数对应的三分力系数。从计算所耗费的时间上来看,采用雷诺应力模型数值模拟计算时所耗费的计算时间过长,而k-ε模型只求解6个非线性方程,可以节约不少CPU响应时间。在本研究计算中,对于3种湍流模型计算采用了相同的网格,当采用k-ε模型时每次迭代于100步以内即可达到收敛,采用雷诺应力模型时每次迭代于250步左右才能达到收敛。由以上分析可以得出:应用CFD方法研究流线形断面三分力系数的雷诺数效应问题时,最为适宜的湍流模型为标准k-ε模型。因此本研究采用该模型对近流线形的苏通大桥主梁断面的三分力系数进行了数值模拟计算。3.1.1主梁断面尺寸苏通大桥采用倒Y形桥塔、斜索面和闭口钢箱梁主梁断面,其主跨为1088m,主梁梁高为4m,桥宽为41m,主梁断面尺寸见图3。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,考虑适当加大网格密度,以验证能否得到更为精确的计算结果,总网格数为225000个。3.1.2试验雷诺数范围对苏通大桥主梁断面进行1∶13.5大比例模型测力风洞试验,测定高雷诺数下主梁断面三分力系数。试验风速为10~70m/s,试验雷诺数范围为2.0×105~1.4×106。大比例模型下,攻角为0°时主梁施工状态(裸梁)的三分力系数随雷诺数变化的曲线,见图4。3.2试验结果和模型材料结果对比利用试验方法和数值模拟方法得到的三分力系数随雷诺数的变化曲线见图4。从三分力系数识别结果可见:利用标准k-ε模型计算的近流线形苏通桥断面三分力系数随雷诺数的变化规律与风洞试验基本一致。阻力系数随着雷诺数的增大而减小,升力系数随着雷诺数的变化而变化,在雷诺数达到某一个数值时趋于稳定。升力矩系数曲线在低雷诺数区有波动,在高雷诺数区内趋于平缓。数值模拟结果与风洞试验结果非常接近,阻力系数的最大误差不超过4%;升力系数的计算结果比试验结果要大,相对误差不超过3%。当雷诺数小于6.0×105时,升力矩系数的计算结果比试验结果要小;雷诺数大于6.0×105时,升力矩系数的计算结果比试验结果要大,计算误差不超过6%。4梁板断面升力系数雷诺数(1)研究进一步证实了流线形桥梁断面存在着三分力系数的雷诺数效应:阻力系数随雷诺数增加而减少,在低雷诺数区的雷诺数效应较强烈,高雷诺数区阻力系数雷诺数效应不强烈;流线形断面的升力系数雷诺数效应显著,低雷诺数风洞试验得到的升力系数不可以代替实桥断面的升力系数,否则得到的误差是难以预料的;流线形桥梁断面的升力矩系数雷