桥梁主梁断面三分力系数的数值模拟研究

CFD方法相对于传统的风洞试验方法有着费用少、省时省力、良好的重复性等特点,其突出的优点是实现了流动的可视化。本文以苏通长江大桥为模型,对不同攻角下主梁断面的三分力系数进行了数值识别,并将数值识别结果与风洞试验值作了比较,验证了采用CFD技术识别桥梁三分力系数方法的可行性和可靠性。文中还给出了0°攻角下流场的速度和压强的等值线图和云图。     

大跨度高铁连续梁桥箱梁断面静力三分力系数的数值模拟

我国高铁桥梁建设发展迅猛,其中一大批桥梁处于强台风多发区,其抗风性能备受重视,高铁桥梁的主梁断面静力三分力系数分析是其抗风研究的基础。本文基于计算流体动力学(CFD)技术,对东南沿海某大跨度高铁连续梁桥箱梁断面静力三分力系数开展研究,考虑不同风攻角和主梁断面尺寸对静力三分力系数的影响,并将识别结果与已有数值计算结果进行对比。结果表明:采用CFD技术可有效识别高铁连续梁桥钝体箱梁断面静力三分力系数,箱梁断面尺寸的变化对静力三分力系数影响显著。随着断面高宽比的增大,箱梁断面的阻力系数和升力系数也随之增大,而升力矩系数随之减小。研究结论可为大跨度高铁连续梁桥的抗风研究与设计提供有益参考。     

CFD方法研究桥梁断面三分力系数的雷诺数效应

采用计算流体力学(CFD)方法计算与风荷载相关的物理量,应用FLUENT软件,对2种典型桥梁断面的三分力系数随雷诺数的变化进行数值模拟计算。建立了实际尺度的模型,选择了合理的网格划分形式,并分别使用3种不同的湍流模型,将数值计算结果与风洞试验结论进行了对比。结果表明:计算流体力学方法可以按照实际尺寸进行计算,以避免风洞试验只能进行缩尺试验的不足;且成本低、速度快、资料完备,具有模拟真实和理想条件的能力。     

基于拉格朗日体系的典型桥梁断面风-雨耦合作用数值模拟

对典型桥梁断面风-雨耦合作用下的静三分力进行了CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟研究.对计算流体动力学软件进行二次开发,采用DPM(Discrete Phase Model)模型结合UDF(User Defined Function)函数施加源项的方法来研究风-雨耦合作用对桥梁断面静三分力系数的影响.将空气作为连续相通过欧拉法求解,采用基于拉格朗日体系的离散相模型对雨滴运动轨迹进行求解,引入离散随机游走模型来考虑旋涡对雨滴运动的影响,并通过冲量定理得到风-雨耦合下的雨滴对主梁断面的冲击载荷.通过与文献结果比较来验证方法的正确性,然后研究了风-雨耦合作用对典型桥梁断面三分力系数的影响,以及三维风-雨耦合作用对典型桥梁断面的作用机理,为研究桥梁风-雨耦合荷载提供了基础理论方法.     

地面效应对近流线型断面静气动特性的影响

以风洞试验和计算流体动力学(CFD)相结合的方法,对存在地面效应的近流线型断面的静气动力特性(静三分力系数、St数)进行研究.首先,基于风洞试验获得近流线型断面在不同风攻角下的静气动参数随离地高度的变化规律,试验结果表明,地面效应将对断面静气动力特性产生不利影响.其次,采用CFD识别各试验工况下断面的绕流特征及静气动参数,分析了不同风攻角下地面效应对近流线型断面静力三分力系数的影响机理,数值分析表明,地面附面层带来的影响总体上减缓了桥梁下腹板与地面之间区域的流速,局部负压区的强度及尺度加强及增大,并增加了驻点处的压力.     

典型带挑臂钢箱主梁涡激力模型研究

为研究带挑臂钢箱主梁的涡激力模型,研究中以一座主跨为160 m的斜拉桥为工程背景,首先采用双向流固耦合的数值模拟方法对带挑臂钢箱主梁的涡振全过程进行了数值模拟分析,计算出主梁断面在不同风速下的涡振幅值,并与风洞试验结果进行对比 . 然后,基于已验证的数值模拟结果提取了主梁的涡激力时程,并以重构的涡激力值与目标值的残差大...     

斜风下大跨度桥梁主梁三分力系数试验研究

制作了一套测力系统,测定了主跨为926 m的鄂东长江公路大桥在斜风下主梁的三分力系数,并把所得的结果与用传统的斜风分解法所得的结果进行了对比,发现二者不一致.这表明:基于用传统的斜风分解法得到的三分力系数进行斜风下大跨度桥梁主梁风荷载计算是不合适的,必须通过风洞试验实测斜风下主梁的三分力系数.     

湍流模型在折流板换热器壳侧结构优化中的应用

研究不同湍流模型在换热器流场和传热计算中的适用性,分别采用Spalart-Allmaras湍流模型、标准k-ε湍流模型和可实现k-ε湍流模型计算换热器在不同入口速度下的出口温度、换热系数等参数.将3种湍流模型的CFD计算结果与Bell-Delaware理论计算值进行对比可知,Spalart-Allmaras湍流模型的换热器性能数值计算存在明显缺陷,可实现k-ε湍流模型的换热器CFD较其他两种湍流模型的更为适用.将适用性较好的可实现k-ε湍流模型进行CFD数值模拟,模拟结果表明挡切率为25%时换热器性能最佳.     

大跨屋盖风荷载风洞试验及数值模拟

以闽南某大跨体育馆屋盖表面为例,进行风洞试验和计算流体动力学(CFD)数值模拟研究.通过风洞试验,得出体育馆最不利风向角下的平均风压系数和分块风压系数.基于CFX10.0软件平台,采用剪切应力输运(SST)k-ω湍流物理模型,对屋盖上的平均风压进行数值模拟.将计算结果与风洞试验数据进行对比,结果显示两者大体上基本吻合,证明数值模拟可以较准确地模拟实际大跨屋盖表面的平均风荷载.     

大悬挑钢结构风洞试验与风荷载数值模拟

以烟台福莱山公园海之泉工程为背景,进行了大型风洞试验,并基于ANSYS CFX软件建立计算模型,采用SST k-ω湍流模型进行了多个风向角时的数值模拟,获得结构风荷载体型系数,并与风洞试验的测量结果进行对比,得出其体型系数分布规律.结果表明:CFD数值模拟方法可以较为准确地反映结构表面实际风压的分布规律,屋面最大负风压区出现在沿风向的直线上,且迎风向前端出现正压区.     

大跨弦支穹顶复杂体型屋面风压分布规律

对烟台福莱山"海之泉"项目表面风压进行数值模拟,并将模拟结果与风洞试验结果进行对比,验证了SST k-ω湍流模型的可靠性.进而利用CFD数值模拟技术对天津中医药大学新建体育馆屋面风压分布规律进行模拟分析,研究了不同风向角对体育馆屋面风荷载体型系数的影响,并利用流场速度矢量图分析了结果的合理性.结果表明:在各个风向角下,屋面迎风前缘体型系数都较大,最大值可达-1.6,超过了规范取值,进而给出了屋面风荷载体型系数取值建议.     

薄平板气动导数的数值仿真技术

提出了一种基于计算流体动力学方法计算流线型断面气动导数的数值模型．该模型以粘性不可压Navier—Stokes方程和有限体积法为基础,通过求解作强迫振动的断面绕流场,由得到的气动力时程得到断面的气动导数．利用该模型数值模拟了薄平板的气动导数,其仿真结果与薄平板气动导数风洞试验值、Theodorsen理想平板解析解的一致性,证明了本文方法的有效性．该数值方法可应用于桥梁断面颤振导数的识别．     

群体高层建筑风效应的数值模拟

基于计算流体力学软件平台FLUENT6．3,分别采用标准k-ε模型和RNGk-ε湍流模型,模拟了典型风向角下广州珠江新城利通广场作为单体建筑和处于高层建筑群中的表面风压分布和周围风环境,并与风洞试验结果进行了对比分析．研究表明：数值模拟得到的风压系数结果与风洞试验具有一致的趋势,但标准k-ε模型的结果与风洞试验相差较大,而RNGk-ε模型的结果与风洞试验较为吻合．利通前方的大尺寸低矮建筑可能减小利通各面上的风压．另一方面,利通前方的高层建筑群产生的遮挡效应使其迎风面上的风压系数减小,而利通侧风面和背风面的其他高楼引起的狭缝效应使利通上的风压增加．此外,通过流场数值模拟可对高层建筑群的风环境进行评价．     

克孜河渡槽风荷载数值模拟

为了探究风荷载对克孜河渡槽结构的影响,考虑到经济成本和时间成本,采用数值模拟进行研究。本文基于流体力学CFD理论,利用Midas NFX CFD软件研究克孜河渡槽的风场环境及风荷载响应,模拟不同风攻角条件下风荷载对渡槽的影响,通过与已有的风洞试验结果对比分析,来验证数值模拟结果的可靠性,深入剖析了风攻角变化对渡槽的影响,并采用数值模拟与单因素方差分析相结合的方法,验证了风攻角变化对渡槽三分力系数的影响。计算结果显示风攻角对三分力系数有显著影响,以及数值模拟可以快速高效的模拟出克孜河渡槽周围复杂的风场环境,能直观反映渡槽表面负压区的分布规律,研究成果对渡槽风荷载的结构设计具有一定的参考意义。     

飞机后设备舱自然对流换热的实验与模拟

飞机后设备舱内换热是涉及自然对流与辐射换热耦合的复杂问题,选择合适的计算模型,利用CFD数值模拟进行计算分析是解决此类问题的简便方法.针对这一问题,搭建了一个可控热边界的实验台,通过实验测量了壁面温度等作为CFD数值模拟的边界条件,采用RNG k-ε湍流模型和DO辐射模型进行计算预测.通过对比实验结果与CFD模拟计算结果,发现RNG k-ε湍流模型能较好地预测封闭空间自然对流温度场和流场,自然对流换热和辐射换热分别占总换热量的89%,和11%,.     

行人对人行桥三分力系数的影响

以风洞试验方法为主、计算流体力学(CFD)方法为辅,研究不同角度风嘴入流、行人密度和行人横向排列位置条件下的人行桥主梁断面三分力系数的变化规律.结果表明:桥上行人的存在会改变截面周围气流的流态,从而对桥梁断面的静力三分力系数产生显著影响;风攻角在-12°~12°范围内,阻力系数均呈现先增加后减小趋势,负风攻角范围内行人密度是阻力系数变化的主导因素,而正风攻角范围内阻力系数变化受风攻角主导;当风攻角由-12°变化到12°时,小风嘴入流状态下的升力系数和扭矩系数整体逐渐减小,而大风嘴入流状态下的升力系数和扭矩系数整体呈现先增大后减小的趋势,随着行人由迎风侧移动到背风侧,阻力系数略微增大,升力系数显著减小,扭矩系数几乎不变.     

大跨度膜结构风压分布的风洞试验和数值模拟

为确定浙江工商大学体育场屋盖结构的风压分布,进行风洞试验研究,并采用数值模拟方法进行了对比分析.采用缩尺比为1:200的有机玻璃模型,在建筑串联回流式风洞中的大试验段进行了风洞试验,测得对应24个方向角的结构表面各点风压系数,采用标准k-ε,重正化群k-ε,可实现的k-ε和RSM四种湍流模型对屋面风压系数进行了数值模拟,将模拟结果与风洞试验数据进行了比较.结果表明,这种月牙形屋面的风压分布主要以吸力为主,迎风边缘及突出部位的风压系数较大,而在低凹处及尾流区域较小.数值模拟结果与风洞试验结果基本吻合,采用的四种湍流模型结果差异不明显.     

大攻角下典型主梁断面颤振临界风速数值模拟

针对大攻角下主梁断面颤振稳定性问题,基于计算流体动力学软件ANSYS FLU-ENT用户自定义函数UDFs和动网格技术,结合Newmark-β法建立了桥梁主梁断面二维流固耦合分析方法,采用该方法在不同攻角下(0°、±3°、±5°、±8°)对薄平板和流线型箱梁断面颤振稳定性进行数值模拟研究,并将数值模拟结果与风洞试验研究结果进行了比较.结果表明:薄平板和流线型箱梁断面的颤振临界风速数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好,验证了本文所建立的桥梁主梁断面二维流固耦合分析方法的精度.薄平板断面的颤振临界风速随攻角的增大显著降低;流线型箱梁断面在正攻角范围内颤振临界风速随着攻角的增大而降低,在负攻角范围内颤振临界风速随攻角绝对值的增加先增大后降低;当攻角较大时,薄平板断面和流线型主梁断面均表现出"钝体"特征,气流绕过断面前缘时发生分离,沿断面上下缘产生较大的涡,从而导致主梁断面颤振临界风速降低.     

粗糙度对雷诺数效应的影响

为了研究粗糙度对流线型桥梁断面雷诺数效应的影响,以及将表面粗糙度作为气动措施用于减小该类型桥梁断面雷诺数效应的可能性,利用风洞试验,在模型表面粘贴不同粒径的砂纸,改变模型表面粗糙度,测量了不同雷诺数下以及3种不同粗糙表面的流线型桥梁断面模型的三分力系数及表面压力.研究结果表明:流线型桥梁断面即使在较窄的雷诺数范围内也具有较明显的雷诺数效应;表面粗糙度对三分力系数的雷诺数效应具有一定的抑制作用.     

大跨度流线型箱梁悬索桥颤振稳定性气动优化

以主跨为1 660 m流线型箱梁悬索桥为工程依托,采用风洞试验和CFD数值模拟相结合的方法对影响大跨度悬索桥颤振稳定性的主要因素(主缆空间形式、主梁气动外形和中央稳定板高度)进行了研究,并对气动控制措施机理进行了探讨.结果表明:主缆布置形式对桥梁结构颤振临界风速的影响主要表现为主缆布置形式导致桥梁结构扭转频率的改变,从而影响桥梁结构颤振临界风速;适当增加主梁断面宽高比可有效提高桥梁结构颤振临界风速;设置合适高度的中央稳定板可有效提高带水平分离板的流线型箱梁断面颤振临界风速.中央稳定板附近产生的涡会引起主梁断面竖向气动力增加,导致主梁断面竖向运动参与程度提高,抑制了主梁断面扭转运动,从而提高了流线型箱梁断面颤振稳定性.