空气动力学应用：建筑风工程：风工程与桥梁结构技术教程

空气动力学应用：建筑风工程：风工程与桥梁结构技术教程1空气动力学基础1.1流体力学原理流体力学是研究流体（液体和气体）的运动和静止状态，以及流体与固体边界相互作用的学科。在建筑风工程中，流体力学原理帮助我们理解风如何与建筑物和桥梁结构相互作用。流体的基本方程包括连续性方程、动量方程和能量方程，这些方程描述了流体的质量、动量和能量守恒。1.1.1连续性方程连续性方程表达流体质量守恒的原理，即流体在流动过程中，其质量不会增加也不会减少。对于不可压缩流体，连续性方程可以简化为：∂其中，u、v和w分别是流体在x、y和z方向的速度分量。1.1.2动量方程动量方程描述了流体动量的变化，它由牛顿第二定律推导而来。对于三维不可压缩流体，动量方程可以表示为：∂∂∂其中，ρ是流体密度，p是流体压力，ν是流体的动力粘度，fx、fy和fz是外力在x、y1.2边界层理论边界层理论是流体力学中的一个重要概念，它描述了流体在接近固体表面时的行为。当流体流过固体表面时，由于粘性作用，流体速度从固体表面的零值逐渐增加到自由流的速度。这个速度梯度显著的区域称为边界层。边界层的厚度随着流体流动距离的增加而增加，直到流体完全脱离固体表面，形成所谓的边界层分离。边界层分离会导致流体阻力的增加，以及可能的涡流形成，这对桥梁结构的风动力学性能有重要影响。1.2.1边界层分离示例假设我们有一个简单的二维流体流动模型，其中流体流过一个圆柱体。我们可以使用Python的SciPy库来模拟边界层分离现象。importnumpyasnp

fromegrateimportodeint

importmatplotlib.pyplotasplt

#定义边界层方程

defboundary_layer(y,x,nu):

u,v=y

du_dx=v

dv_dx=-1/(2*u)*v**2+nu*(1/u)*(du_dx**2+u*dv_dx/u)

return[du_dx,dv_dx]

#参数设置

nu=0.01#动力粘度

x=np.linspace(0,10,1000)#流动距离

y0=[1,0]#初始条件

#解方程

sol=odeint(boundary_layer,y0,x,args=(nu,))

u,v=sol.T

#绘制结果

plt.figure(figsize=(10,5))

plt.plot(x,u,label='uvelocity')

plt.plot(x,v,label='vvelocity')

plt.xlabel('Distance(x)')

plt.ylabel('Velocity')

plt.legend()

plt.title('BoundaryLayerSeparation')

plt.grid(True)

plt.show()在这个示例中，我们模拟了边界层的速度分布，可以看到随着距离的增加，速度梯度的变化，这有助于理解边界层分离的过程。1.3湍流与紊流湍流和紊流是流体动力学中描述流体不规则运动的术语。湍流是一种流体运动状态，其中流体的运动是高度不规则和随机的，而紊流则是一种更通用的描述，包括了湍流和一些其他类型的不规则流动。在建筑风工程中，湍流和紊流对结构的风荷载有显著影响。湍流可以增加结构的动态响应，导致更大的风荷载和振动。紊流则可能在结构周围形成复杂的流动模式，影响风荷载的分布。1.3.1湍流模型在计算流体动力学（CFD）中，湍流模型用于模拟湍流效应。其中，最常用的模型之一是k-ε模型，它基于湍流动能k和湍流耗散率ε的方程。∂∂其中，νt是湍流粘度，Pk是湍流动能的产生项，C11.4风速分布与风压风速分布和风压是建筑风工程中的关键参数。风速分布描述了风速在空间中的变化，而风压则反映了风对结构表面的作用力。1.4.1风速分布风速分布通常遵循韦布尔分布或对数律分布。在开阔地带，风速分布可以近似为韦布尔分布：f其中，v是风速，k是形状参数，λ是尺度参数，Γ是伽玛函数。1.4.2风压计算风压可以通过以下公式计算：p其中，ρ是空气密度，v是风速。1.4.3示例：风速分布计算我们可以使用Python的SciPy库来计算韦布尔分布下的风速分布。importnumpyasnp

fromscipy.statsimportweibull_min

importmatplotlib.pyplotasplt

#参数设置

k=2.0#形状参数

lambda_=10.0#尺度参数

v=np.linspace(0,30,1000)#风速范围

#计算韦布尔分布

dist=weibull_min(k,scale=lambda_)

prob=dist.pdf(v)

#绘制结果

plt.figure(figsize=(10,5))

plt.plot(v,prob)

plt.xlabel('WindSpeed(m/s)')

plt.ylabel('ProbabilityDensity')

plt.title('WeibullDistributionofWindSpeed')

plt.grid(True)

plt.show()在这个示例中，我们计算了不同风速下的概率密度，这有助于评估特定风速发生的可能性，从而为桥梁结构的风荷载设计提供依据。通过以上原理和示例的介绍，我们对空气动力学在建筑风工程中的应用有了更深入的理解，特别是流体力学原理、边界层理论、湍流与紊流以及风速分布与风压的计算。这些知识对于设计能够抵御强风的桥梁结构至关重要。2桥梁风工程概论2.1桥梁结构类型与风敏感性桥梁作为跨越障碍物的结构，其设计与建造需考虑多种因素，其中风荷载是关键之一。不同类型的桥梁，如梁桥、拱桥、悬索桥和斜拉桥，对风的敏感性各不相同。悬索桥和斜拉桥因其较高的柔性和较大的迎风面积，特别容易受到风的影响，可能导致颤振、涡激振动和抖振等现象。2.1.1悬索桥的风敏感性悬索桥的主梁通过悬索悬挂在塔上，这种结构在风的作用下容易产生横向振动。颤振是一种自激振动，当风速达到一定值时，桥面的振动会与风的流动相互作用，形成正反馈，导致振动幅度不断增大，严重时可导致桥梁破坏。2.1.2斜拉桥的风敏感性斜拉桥的主梁通过斜拉索与塔相连，这种结构在风荷载作用下，斜拉索的振动会传递给主梁，引起桥梁的整体振动。涡激振动是斜拉桥常见的风致振动形式，当风绕过斜拉索时，会产生周期性的涡流，这些涡流作用于斜拉索上，引起振动。2.2风荷载的计算方法风荷载的计算是桥梁设计中的重要环节，主要方法包括静力法、动力法和风洞试验。2.2.1静力法静力法是基于平均风速和风压计算桥梁结构上的风荷载。计算公式如下：q其中，q是风荷载，ρ是空气密度，V是风速，Cd是风压系数，A2.2.2动力法动力法考虑了风的脉动特性，通过频域分析或时域分析来计算风荷载。频域分析通常使用功率谱密度函数，而时域分析则通过模拟风速时程来计算桥梁的响应。2.2.3风洞试验风洞试验是直接测量桥梁模型在风洞中受到的风荷载的方法。通过改变风速和风向，可以全面评估桥梁的风动力性能。风洞试验数据是校验理论计算结果的重要依据。2.3桥梁风洞试验简介风洞试验是研究桥梁风工程问题的重要手段，它能够模拟实际风环境，测试桥梁模型在不同风速和风向下的响应。风洞试验通常包括以下几个步骤：模型制作：根据实际桥梁的几何尺寸和材料特性，制作缩比模型。风洞设置：选择合适的风洞，设置风速、风向和湍流度，以模拟实际风环境。测量与数据采集：使用压力传感器、加速度计等设备测量模型上的风荷载和振动响应。数据分析：对采集到的数据进行分析，评估桥梁的风动力性能，包括稳定性、振动频率和振幅等。2.3.1风洞试验示例假设我们正在对一座斜拉桥进行风洞试验，以评估其在不同风速下的涡激振动响应。以下是试验设计和数据分析的简化示例：试验设计模型尺寸：实际桥梁长度为1000m，宽度为30m，模型缩比为1:100。风洞参数：风速范围从10m/s到30m/s，风向垂直于桥梁主梁，湍流度为5%。数据分析使用Python进行数据分析，以下是一个简化代码示例，用于计算不同风速下的涡激振动频率：importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#风速数据

wind_speeds=np.linspace(10,30,21)#从10m/s到30m/s，共21个点

#模型参数

model_length=1000/100#模型长度，单位：m

model_width=30/100#模型宽度，单位：m

#涡激振动频率计算

#假设涡激振动频率与风速成正比关系

vortex_freq=wind_speeds/(model_length*0.2)#0.2为经验系数

#绘制涡激振动频率与风速的关系图

plt.figure(figsize=(10,6))

plt.plot(wind_speeds,vortex_freq,label='VortexInducedVibrationFrequency')

plt.xlabel('WindSpeed(m/s)')

plt.ylabel('VortexFrequency(Hz)')

plt.title('VortexInducedVibrationFrequencyvs.WindSpeed')

plt.legend()

plt.grid(True)

plt.show()2.3.2代码解释上述代码首先定义了风速范围，然后根据模型的尺寸和经验系数计算了涡激振动频率。最后，使用matplotlib库绘制了涡激振动频率与风速的关系图。这有助于直观地理解桥梁在不同风速下的振动特性。通过风洞试验和数据分析，工程师可以更准确地评估桥梁的风动力性能，为桥梁的设计和优化提供科学依据。3风致振动理论3.1涡激振动涡激振动（Vortex-InducedVibration,VIV）是由于流体绕过结构物时，产生周期性的涡流，从而对结构物产生周期性的升力和阻力，导致结构物发生振动。这种振动在桥梁、海洋平台、输油管道等长细结构中尤为常见。3.1.1原理涡激振动的频率通常与流体绕过结构物时形成的涡流频率相匹配，这个频率被称为斯特劳哈尔频率（Strouhalfrequency），可以通过斯特劳哈尔数（Strouhalnumber）计算得出。斯特劳哈尔数是一个无量纲数，表示涡流频率与流体速度和结构物特征尺寸之间的关系。斯特劳哈尔数的计算公式为：S其中，St是斯特劳哈尔数，f是涡流频率，D是结构物的特征尺寸（如桥梁的横截面直径），v3.1.2控制策略控制涡激振动的方法包括：-改变结构物的形状：通过设计结构物的横截面形状，如使用扭曲或椭圆形截面，可以改变涡流的形成，从而减少振动。-增加结构物的刚度：通过增加结构物的刚度，可以提高其固有频率，使其远离涡流频率，减少共振的可能性。-使用减振器：如涡流发生器（VortexSheddingControlDevices,VSCDs）或涡流抑制器（VortexInducedVibrationAmeliorationDevices,VIVADs），这些装置可以改变流体绕过结构物时的流动特性，减少涡流的形成。3.2颤振颤振（Flutter）是一种自激振动，发生在结构物的固有频率与流体动力频率相匹配时，流体动力的反馈作用会放大结构物的振动，导致结构物的破坏。3.2.1原理颤振通常发生在桥梁的悬索或悬臂结构中，当风速达到一定值时，结构物的振动会与风力产生相互作用，形成一个正反馈循环，导致振动幅度不断增大。颤振的频率通常与结构物的固有频率相匹配，但其振幅和能量的增加速度远大于其他类型的振动。3.2.2控制策略控制颤振的方法包括：-增加结构物的阻尼：通过增加阻尼器，如粘性阻尼器或磁流变阻尼器，可以吸收振动能量，减少振动幅度。-改变结构物的气动外形：通过设计气动外形，如使用翼型截面，可以改变流体动力特性，减少颤振的可能性。-使用主动控制技术：如主动气动控制（ActiveAerodynamicControl）或主动振动控制（ActiveVibrationControl），通过实时监测风力和结构物的振动状态，调整结构物的气动特性或施加反向力，以减少振动。3.3抖振抖振（Galloping）是一种在低风速下，由于结构物表面的不规则性或流体的不稳定流动，导致结构物发生大幅度振动的现象。3.3.1原理抖振通常发生在电线、电缆等细长结构中。当风速较低时，流体绕过结构物表面的不规则性（如冰层、积雪或表面的凹凸）时，会产生不稳定的涡流，这些涡流会在结构物的两侧交替形成，导致结构物发生大幅度的振动。3.3.2控制策略控制抖振的方法包括：-使用防抖装置：如防抖锤（Dampers）或防抖线（VibrationDampers），这些装置可以改变结构物的振动特性，减少抖振的发生。-改变结构物的表面特性：通过在结构物表面增加防抖带或改变表面的光滑度，可以减少流体绕过结构物时的涡流形成，从而减少抖振。-使用主动控制技术：如主动振动控制（ActiveVibrationControl），通过实时监测风力和结构物的振动状态，调整结构物的振动特性或施加反向力，以减少抖振。3.4风致振动的控制策略控制风致振动的策略通常需要综合考虑结构物的固有特性、流体动力学特性和环境条件。以下是一些通用的控制策略：增加结构物的刚度和阻尼：这是最基本的控制策略，通过增加结构物的刚度和阻尼，可以提高其抵抗风力的能力，减少振动。使用被动控制装置：如涡流抑制器、防抖装置等，这些装置不需要外部能源，通过改变结构物的气动特性或振动特性来减少振动。使用主动控制技术：如主动气动控制、主动振动控制等，这些技术需要实时监测风力和结构物的振动状态，通过调整结构物的气动特性或施加反向力来减少振动。主动控制技术通常需要外部能源，但其控制效果更为精确和有效。3.4.1示例：使用Python进行风致振动的数值模拟importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#定义参数

mass=1.0#结构物的质量

stiffness=10.0#结构物的刚度

damping=0.1#结构物的阻尼

wind_speed=10.0#风速

strouhal_number=0.2#斯特劳哈尔数

characteristic_length=1.0#结构物的特征长度

#计算斯特劳哈尔频率

strouhal_frequency=strouhal_number*wind_speed/characteristic_length

#定义时间参数

t=np.linspace(0,10,1000)#时间向量

dt=t[1]-t[0]#时间步长

#定义振动方程

defvibration_equation(x,v):

#x:当前位移

#v:当前速度

#返回：速度和加速度

returnv,-stiffness*x/mass-damping*v/mass+np.sin(2*np.pi*strouhal_frequency*t)

#使用欧拉法求解振动方程

x=np.zeros_like(t)

v=np.zeros_like(t)

x[0]=0.1#初始位移

v[0]=0.0#初始速度

foriinrange(1,len(t)):

x[i],v[i]=x[i-1]+v[i-1]*dt,v[i-1]+vibration_equation(x[i-1],v[i-1])[1]*dt

#绘制振动位移图

plt.figure()

plt.plot(t,x)

plt.xlabel('时间(s)')

plt.ylabel('位移(m)')

plt.title('风致振动的数值模拟')

plt.show()此代码示例使用Python的numpy库进行数值计算，matplotlib库进行结果可视化。通过定义结构物的质量、刚度、阻尼，以及风速、斯特劳哈尔数和特征长度，计算了斯特劳哈尔频率，并使用欧拉法求解了振动方程，模拟了风致振动的过程。最后，绘制了振动位移随时间变化的曲线，直观展示了风致振动的特性。4桥梁设计中的风工程4.1风工程在桥梁设计中的重要性在桥梁设计中，风工程扮演着至关重要的角色。桥梁，尤其是大跨度桥梁，如悬索桥、斜拉桥等，其结构的稳定性与安全性在很大程度上受到风环境的影响。风荷载不仅包括静风荷载，还有更为复杂的湍流、风振效应，如涡激振动、颤振、拍振等。这些效应可能导致桥梁结构的振动加剧，甚至在极端情况下引发结构破坏，如1940年美国塔科马桥的坍塌事件，就是风振效应的典型案例。4.1.1风荷载计算风荷载的计算通常基于风洞试验数据和数值模拟。其中，风洞试验可以提供桥梁模型在不同风速、风向下的气动特性，包括阻力系数、升力系数、扭矩系数等。数值模拟则通过CFD（计算流体动力学）软件，如OpenFOAM，来模拟桥梁周围的流场，预测风荷载。示例：使用OpenFOAM进行风荷载计算#下载OpenFOAM并安装

wget/download/openfoam-7.tgz

tar-xzfopenfoam-7.tgz

cdOpenFOAM-7

./Allwmake

#创建桥梁模型的计算域

blockMeshDict

17

(

hex(01234567)(10101)simpleGrading(111)

hex(89101112131415)(10101)simpleGrading(111)

hex(1617181920212223)(10101)simpleGrading(111)

);

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(0154)

(891312)

(16172120)

);

}

outlet

{

typepatch;

faces

(

(2376)

(10111514)

(18192322)

);

}

walls

{

typewall;

faces

(

(0198)

(121110)

(231312)

(341413)

(451514)

(561716)

(671918)

(701817)

);

}

);

//执行网格划分

blockMesh上述代码示例展示了如何使用OpenFOAM的blockMeshDict文件来定义一个简单的桥梁模型计算域。通过定义不同的边界条件（如入口、出口和墙壁），可以模拟风流过桥梁时的流场，进而计算风荷载。4.2桥梁抗风设计规范桥梁抗风设计规范是确保桥梁在风荷载作用下安全稳定的重要依据。国际上，有多个标准和规范可以参考，如美国的AASHTO规范、欧洲的Eurocode规范、中国的《公路桥涵设计通用规范》等。这些规范通常包括风荷载的计算方法、抗风稳定性评估、风振效应的控制措施等内容。4.2.1风振效应控制风振效应控制是桥梁抗风设计中的关键环节。常见的控制措施包括：增加结构刚度：通过增加桥梁的截面尺寸或使用更坚固的材料，提高结构的抗风能力。设置阻尼器：在桥梁结构中安装阻尼器，如粘滞阻尼器、调谐质量阻尼器（TMD），以吸收振动能量，减少风振效应。优化结构形状：设计时考虑流线型截面，减少风荷载，避免涡激振动。4.3风工程设计案例分析4.3.1案例：塔科马桥的教训1940年，美国塔科马桥因风振效应而坍塌，这一事件促使了桥梁风工程的快速发展。塔科马桥的设计忽略了风荷载对桥梁的影响，尤其是颤振效应。颤振是一种自激振动，当风速达到一定值时，风与桥梁结构相互作用，产生振动，这种振动会不断加剧，最终导致结构破坏。4.3.2案例：金门大桥的风工程设计金门大桥在设计时充分考虑了风工程。其悬索桥的主缆和桥塔设计有较大的截面，以增加结构的刚度。此外，桥面两侧安装了风障，以减少风荷载。金门大桥还采用了流线型的桥塔设计，有效避免了涡激振动的发生。4.3.3案例：中国港珠澳大桥的风工程设计港珠澳大桥是世界上最长的跨海大桥，其风工程设计尤为复杂。在设计过程中，进行了大量的风洞试验，以精确评估不同风速、风向下的风荷载。此外，大桥采用了多跨连续梁桥和斜拉桥的组合结构，通过优化结构布局和增加阻尼器，有效控制了风振效应，确保了大桥在极端风环境下的安全稳定。通过以上案例分析，我们可以看到，风工程在桥梁设计中的重要性，以及如何通过合理的结构设计和控制措施，来应对风荷载和风振效应的挑战。5桥梁风工程的数值模拟5.1CFD技术简介5.1.1什么是CFD技术？计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics,CFD）是一种利用数值分析和数据结构来解决并模拟流体流动的科学。它在桥梁风工程中扮演着关键角色，能够帮助工程师预测桥梁在风荷载下的行为，从而优化设计，确保结构安全。5.1.2CFD技术在桥梁风工程中的应用CFD技术可以模拟桥梁周围的复杂风场，包括湍流、风速分布、风压分布等。通过这些模拟，工程师可以评估桥梁的气动稳定性，预测可能的涡激振动、颤振和抖振等现象，以及计算桥梁的风荷载。5.1.3CFD软件示例常用的CFD软件包括ANSYSFluent、CFX和OpenFOAM。下面以OpenFOAM为例，展示如何使用CFD软件进行桥梁风场的模拟。OpenFOAM安装与配置#安装OpenFOAM

sudoapt-getupdate

sudoapt-getinstallopenfoam6

#配置环境变量

echo'exportWM_PROJECT_DIR=$HOME/OpenFOAM'>>~/.bashrc

echo'source$WM_PROJECT_DIR/OpenFOAM6/etc/bashrc'>>~/.bashrc

source~/.bashrc模拟案例：简单桥梁风场模拟假设我们有一个简单的桥梁模型，宽度为10米，长度为100米，高度为5米。我们将使用OpenFOAM来模拟风速为10米/秒的风场。创建案例目录foamNewcasesimpleBridge

cdsimpleBridge定义流体域在constant/polyMesh目录下，使用blockMesh工具定义流体域。blockMeshDict>system/blockMeshDict设置边界条件在0目录下，定义边界条件，包括风速、压力等。U>0/U

p>0/p运行模拟使用simpleFoam求解器运行模拟。simpleFoam结果分析使用paraFoam工具进行结果可视化。paraFoam5.2桥梁结构的数值建模5.2.1模型创建桥梁结构的数值建模通常涉及创建桥梁的三维模型，包括桥墩、桥面、悬索等部分。这些模型需要在CFD软件中导入，以便进行风场模拟。5.2.2材料属性与网格划分在建模过程中，需要定义桥梁材料的属性，如密度、弹性模量等。此外，网格划分的精细程度直接影响模拟的准确性和计算效率。5.2.3模型示例使用OpenFOAM进行桥梁结构建模，首先需要在constant/polyMesh目录下创建桥梁的几何模型。这通常通过导入CAD模型或使用OpenFOAM的snappyHexMesh工具自动生成。#导入CAD模型

cp/path/to/bridge.stlconstant/triSurface

#使用snappyHexMesh生成网格

snappyHexMesh-overwrite5.3风场模拟与结果分析5.3.1风场模拟风场模拟是桥梁风工程的核心，它涉及到设置初始条件、边界条件以及求解器参数。模拟过程中，CFD软件会计算流体在桥梁周围的速度、压力和涡流等。5.3.2结果分析结果分析包括检查风荷载分布、气动稳定性、振动频率等。这些数据对于评估桥梁在极端风况下的性能至关重要。5.3.3分析示例在OpenFOAM中，使用postProcessing功能可以提取模拟结果，如压力分布、速度矢量等，进行进一步分析。#提取压力分布

postProcessing-funcwriteCellCentres-time100

#可视化结果

paraFoam在paraFoam中，可以加载模拟结果，查看压力分布图、速度矢量图等，帮助工程师理解桥梁在风荷载下的行为。通过上述步骤，工程师可以利用CFD技术进行桥梁风工程的数值模拟，评估桥梁的气动性能，优化设计，确保在各种风况下桥梁的安全性和稳定性。6桥梁风工程的现场测试6.1现场风速测量技术现场风速测量是桥梁风工程中至关重要的第一步，它直接关系到后续设计和分析的准确性。常见的风速测量技术包括使用风速计、超声波风速仪和激光雷达等设备。其中，超声波风速仪因其非接触式测量、高精度和实时性，被广泛应用于桥梁现场风速的监测。6.1.1超声波风速仪的工作原理超声波风速仪通过发射和接收超声波信号，利用超声波在空气中的传播速度受风速影响的原理，计算出风速和风向。具体而言，超声波在顺风方向传播时速度会增加，在逆风方向传播时速度会减慢。通过比较不同方向上的传播时间差，可以计算出风速。6.1.2数据采集与处理数据采集通常使用数据记录器，将超声波风速仪的输出信号记录下来。数据处理则涉及对原始数据进行清洗、校正和分析，以提取出风速的统计特性，如平均风速、风速分布、湍流强度等。示例代码：数据清洗与平均风速计算importpandasaspd

#假设从数据记录器读取的数据存储在CSV文件中

data=pd.read_csv('wind_data.csv')

#数据清洗，去除无效或异常值

data=data.dropna()#删除缺失值

data=data[data['wind_speed']>0]#去除负值或零值

#计算平均风速

average_wind_speed=data['wind_speed'].mean()

print(f'平均风速为：{average_wind_speed}m/s')6.2桥梁结构的现场风载测试现场风载测试旨在评估桥梁在实际风环境下的响应，包括振动、位移和应力等。测试通常在桥梁建成后的试运行阶段进行，以验证设计的风工程性能。6.2.1测试方法现场风载测试主要通过安装在桥梁上的传感器网络来实现，包括加速度计、位移传感器和应变计等。这些传感器可以实时监测桥梁在风载作用下的动态响应。6.2.2数据分析数据分析的目的是从传感器采集的数据中提取桥梁的风载响应特征，评估桥梁的安全性和稳定性。这包括计算桥梁的振动频率、振幅和阻尼比等参数。示例代码：振动频率计算importnumpyasnp

fromscipy.signalimportfind_peaks

#假设从加速度计读取的振动数据存储在数组中

vibr