山區(qū)橋址處CFD計(jì)算域的選取方法

張亮亮，吳波，楊陽，劉連杰

(重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

山區(qū)橋址處CFD計(jì)算域的選取方法

張亮亮，吳波，楊陽，劉連杰

(重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

山區(qū)橋址處風(fēng)場(chǎng)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性與不確定性，在選取其CFD計(jì)算域時(shí)，盲目參考已有的工程可能會(huì)造成較大的模型誤差，或增加大量的計(jì)算開銷。為解決該問題，提出了山區(qū)復(fù)雜地形CFD計(jì)算域選取的方法與步驟，驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。具體方法為：設(shè)置一個(gè)大范圍的基準(zhǔn)計(jì)算域進(jìn)行初算，通過后處理軟件繪制平均風(fēng)壓系數(shù)極差隨高度的變化曲線、壁面附近水平面上的靜壓偏差等值云圖以及橫風(fēng)向各平面靜壓值與對(duì)應(yīng)邊界面的均方根差值曲線，分別篩選出基準(zhǔn)計(jì)算域在高度方向、順風(fēng)向及橫風(fēng)向上對(duì)整體風(fēng)場(chǎng)貢獻(xiàn)可忽略的區(qū)域，余下部分則可用于該區(qū)風(fēng)場(chǎng)的求解。

計(jì)算域設(shè)置；山區(qū)地形；計(jì)算流體力學(xué)；模型誤差；求解效率

在山區(qū)建設(shè)大跨度橋梁時(shí)，風(fēng)環(huán)境參數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與安全評(píng)價(jià)具有重要的參考價(jià)值，是必須首要解決的問題之一[1-2]。現(xiàn)有規(guī)范對(duì)山區(qū)風(fēng)特性的描述較少，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)難以模擬大范圍區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)又難以捕捉大范圍的風(fēng)特性數(shù)據(jù)，而計(jì)算風(fēng)工程(CFD)具有周期短、數(shù)據(jù)全面、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來越廣泛，其模擬精度也得到了進(jìn)一步的提高[5]。

利用CFD技術(shù)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬時(shí)，首先要進(jìn)行計(jì)算域的設(shè)置。CFD數(shù)值模擬的誤差主要包括模型誤差、離散誤差與迭代誤差[6]。其中，計(jì)算域設(shè)置不合理所引起的模型誤差是影響計(jì)算精度的首要原因，應(yīng)盡量消除。若計(jì)算域設(shè)置過小，則模型誤差較大，即使將離散誤差、迭代誤差控制到最低，也無法準(zhǔn)確反映實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)特性[7]。Fujiwara等[8]發(fā)現(xiàn)，不同大小的計(jì)算域?qū)ν晃恢玫挠?jì)算結(jié)果差異很大，認(rèn)為模型邊界應(yīng)遠(yuǎn)離計(jì)算點(diǎn)足夠遠(yuǎn)。但是，若將計(jì)算域設(shè)置太大，雖可降低模型誤差，但卻大大增加了計(jì)算開銷，降低了求解效率。尤其在進(jìn)行高精度、多工況的實(shí)際模擬時(shí)，過大的計(jì)算域?qū)τ谟?jì)算周期的耗費(fèi)是難以估量的[8]。如何設(shè)置大小合適的計(jì)算域，兼顧計(jì)算精度與求解效率，是筆者主要解決的問題。目前已有一些關(guān)于CFD計(jì)算域設(shè)置的研究或建議[9-12]。崔利民等[9]針對(duì)一個(gè)雙向?qū)ΨQ、孤立的正弦山丘提出了山體地形下低矮房屋數(shù)值風(fēng)洞模擬的計(jì)算域設(shè)定方法；Franke等[12]給出了群體建筑物CFD風(fēng)場(chǎng)的豎向、側(cè)向與順風(fēng)向長度建議值。然而，這些研究均是針對(duì)孤立山丘或規(guī)則建筑物的風(fēng)場(chǎng)，其風(fēng)場(chǎng)分布對(duì)稱、較為規(guī)則且有跡可循。而山地地形在大范圍區(qū)域內(nèi)包含不計(jì)其數(shù)的山丘、溝壑、河流、房屋等，風(fēng)場(chǎng)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性與不確定性，不能簡(jiǎn)單地參照已有工程的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，針對(duì)規(guī)則風(fēng)場(chǎng)所提出的方法或建議值也不適用。有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)者在進(jìn)行山區(qū)CFD模擬時(shí)，往往先進(jìn)行試算[13-14]。筆者以地處長江交匯口山地地貌的大寧河特大橋?yàn)橐劳?，提出山區(qū)橋址處復(fù)雜地形CFD計(jì)算域設(shè)置的一般方法與步驟。

1 工程概況

重慶大寧河特大橋是G42重慶段二期高速公路的重要工程，橋型為上承式無鉸鋼桁拱橋，跨度400 m，矢高80 m，橋軸線垂直穿過大寧河和兩岸山坡。橋址區(qū)位于大寧河與長江交匯口附近，地表為緩、陡相間的折線型斜坡，坡度55°～75°，屬于典型的山地地貌。橋位范圍內(nèi)最大地面標(biāo)高為518 m左右，河底標(biāo)高僅為90 m，其相對(duì)高差達(dá)428 m，切割深度大。

現(xiàn)場(chǎng)為期2 a的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，橋址處的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)和東南風(fēng)，100 a重現(xiàn)期的基本風(fēng)速為26.8 m/s。

2 計(jì)算域的設(shè)置方法

2.1 基準(zhǔn)計(jì)算域

2.1.1 計(jì)算域大小 定義如下參數(shù)：H為壁面最高點(diǎn)離計(jì)算域頂面的高度，LE、LW、LS、LN分別為橋址中心距計(jì)算域東、西、南、北邊界面的距離(圖1)。

山區(qū)橋址處的CFD計(jì)算域一般為長/寬5～15 km、高1～3 km[13-15]的長方體區(qū)域。先設(shè)置一個(gè)較大范圍的基準(zhǔn)計(jì)算域進(jìn)行初算，將橋位附近有代表性的地貌全部包含在內(nèi)，其大小為25 km(橋軸方向)×20 km(橋軸法向)×6 km(豎直方向)，即LE=LW=12.5 km，LS=LN=10 km，H=6.0 km?；鶞?zhǔn)計(jì)算域的作用為：從其計(jì)算結(jié)果中提取相關(guān)指標(biāo)，作為設(shè)置H、LE、LW、LS、LN的依據(jù)；將其解作為標(biāo)準(zhǔn)解，計(jì)算各檢驗(yàn)計(jì)算域的模型誤差。

圖1 基準(zhǔn)計(jì)算域及定義的參數(shù)Fig.1 Reference computational domain and its parameters

使用Google Earth獲取地形底面的高程數(shù)據(jù)，取樣間隔30 m，共計(jì)獲得584 714個(gè)離散高程點(diǎn)。將其導(dǎo)入逆向工程軟件Imageware，擬合四階地形曲面。然后將曲面導(dǎo)入網(wǎng)格劃分平臺(tái)Gambit，形成計(jì)算域。設(shè)置邊界條件：入流面取速度入口Velocity-inlet，出流面為自由流Outflow，地形底面為Wall壁面，其余為對(duì)稱邊界Symmetry[13]。

2.1.2 網(wǎng)格劃分與求解 為便于基準(zhǔn)計(jì)算域與后續(xù)工作中檢驗(yàn)計(jì)算域的對(duì)比，所有計(jì)算域均分塊為內(nèi)部區(qū)域與外部區(qū)域。內(nèi)部區(qū)域是風(fēng)場(chǎng)計(jì)算所重點(diǎn)關(guān)心的區(qū)域，覆蓋橋址中心附近5 km×4 km的范圍，壁面劃分60 m尺度的三角形網(wǎng)格；外部區(qū)域的壁面劃分90 m尺度的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。高度方向上，靠近壁面的第一層網(wǎng)格厚度10 m，逐漸加大，增長因子1.1，最大尺度150 m。基準(zhǔn)計(jì)算域共劃分棱柱體網(wǎng)格單元3 542 798個(gè)。

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Ansys Fluent 15.0，選用全隱式分離求解器，時(shí)間、空間離散均采用二階差分格式，壓力與速度耦合選用SIMPLE算法。本工作的目的在于選擇計(jì)算域大小，尚未進(jìn)入風(fēng)場(chǎng)特性的高精度模擬的階段。因此，為提高工作效率，采用層流(laminar)模型，來流設(shè)置為均勻流，風(fēng)速取本區(qū)的基本風(fēng)速26.8 m/s。

2.2 高度H的設(shè)置

在模擬孤立建筑物的風(fēng)場(chǎng)時(shí)，一些學(xué)者[10-11]將平均風(fēng)壓系數(shù)極差ΔCp(z)作為設(shè)定計(jì)算域高度H的依據(jù)，認(rèn)為ΔCp(z)越大，該高度的水平平面對(duì)建筑物周圍風(fēng)場(chǎng)的影響越大；反之，影響越小，即該平面已不在建筑物的風(fēng)場(chǎng)區(qū)。山地地貌的風(fēng)場(chǎng)雖復(fù)雜得多，但在豎直方向上具有和孤立建筑物風(fēng)場(chǎng)同樣的特征[10]。因此，將ΔCp(z)引入到為山地風(fēng)場(chǎng)，作為計(jì)算域高度設(shè)置的依據(jù)。基準(zhǔn)計(jì)算域的ΔCp(z)計(jì)算式為

(1)

式中：Cp為測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù);pi為測(cè)點(diǎn)靜壓；p∞為參考點(diǎn)(計(jì)算域頂面)靜壓；vH為參考點(diǎn)風(fēng)速；ρ為空氣密度；Cp,max(z),Cp,min(z)分別為基準(zhǔn)計(jì)算域Z高度水平面上平均風(fēng)壓系數(shù)的最大值、最小值，二者差值即該平面的平均風(fēng)壓系數(shù)極差ΔCp(z)。

圖2給出了基準(zhǔn)計(jì)算域的ΔCp(z)曲線。可見，ΔCp隨離地高度Z的增加而逐漸減小，即，離壁面越高的平面受地形的影響越小。對(duì)于Z=3.5 km以上的平面，其ΔCp均低于0.01，遠(yuǎn)小于Z=3.5 km以下的部分，而且其曲線斜率接近于0，幾乎不再變化。說明基準(zhǔn)計(jì)算域Z=3.5 km以上的區(qū)域?qū)φw風(fēng)場(chǎng)的貢獻(xiàn)微弱，已不在壁面風(fēng)場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)。

圖2 基準(zhǔn)計(jì)算域的平均風(fēng)壓系數(shù)極差ΔCp(z)曲線Fig.2 ΔCp(z)curve of reference computational domain

2.3 順風(fēng)向長度LE、LW的設(shè)置

崔利民等[9]以Y軸中心線(順風(fēng)向)上的相對(duì)靜壓變化曲線作為設(shè)置計(jì)算域長度的指標(biāo)。但其計(jì)算模型是一個(gè)雙向?qū)ΨQ的、孤立的正弦山丘，其靜壓分布關(guān)于Y軸對(duì)稱。然而對(duì)于山地地貌的風(fēng)場(chǎng)而言，Y軸中心線附近的風(fēng)場(chǎng)與邊界附近風(fēng)場(chǎng)相去甚遠(yuǎn)，崔利民的方法難以全面反應(yīng)水平面上風(fēng)場(chǎng)的分布。

CFD模擬風(fēng)場(chǎng)時(shí)，順風(fēng)向的兩個(gè)邊界(x方向，本例對(duì)應(yīng)LE、LW)分別為速度入口與壓力出流。為評(píng)價(jià)計(jì)算域東、西面部分對(duì)整體風(fēng)場(chǎng)的貢獻(xiàn)，經(jīng)試算與篩選，發(fā)現(xiàn)靜壓偏差δP可綜合反映風(fēng)場(chǎng)在x方向上的分布，其計(jì)算式為

(2)

為保持出流面的一致，避免額外誤差，在評(píng)價(jià)東面部分對(duì)整體的影響時(shí)，以東面邊界為入流面；同樣，在評(píng)價(jià)西面部分的影響時(shí)，以西面邊界為入流面。

由圖2可知，離壁面越高的平面對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響越小。偏于保守地考慮，選擇壁面最高點(diǎn)附近的水平面(Z=0.5 km)為代表，在后處理軟件Tecplot中繪出其δp(z)的等值云圖(圖3)。

圖3 基準(zhǔn)計(jì)算域Z=0.5 km平面的靜壓偏差δp等值云圖(大于均方根值S(δp)者)Fig.3 δp-contour of reference computational domain at Z=0.5km plane

圖3給出的是大于均方根值S(δp)的部分——貢獻(xiàn)大的區(qū)域。就圖(a)中x=8.5～12.5 km、圖(b)中x=-8～-12.5 km的區(qū)域而言，其δp幾乎均低于S(δp)，說明基準(zhǔn)計(jì)算域以東8.5～12.5 km、以西8～12.5 km的區(qū)域?qū)φw的貢獻(xiàn)很小。

2.4 橫風(fēng)向?qū)挾萀N、LS的設(shè)置

CFD模擬風(fēng)場(chǎng)時(shí)，橫風(fēng)向的兩個(gè)邊界面通常設(shè)置為對(duì)稱邊界Symmetry(y方向，本例對(duì)應(yīng)LN、LS)。其上所有物理量的梯度(grad(φn))均為0。若要以其他面代替現(xiàn)有邊界，則該面上各物理量的解必須與現(xiàn)有邊界的解十分接近。

以0.5 km的增量，分別在基準(zhǔn)計(jì)算域y=2.0～9.5 km的各平面上以200 m的間距設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，每個(gè)面共計(jì)2 500個(gè)；考察這些監(jiān)控點(diǎn)的靜壓與北邊界面(y=10.0 km)上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的差值，差值的均方根計(jì)算式為

式中：pi,y為y平面上第i個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的靜壓；pi,0為北邊界面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的靜壓。

同樣地，在y=-2.0～-9.5 km的各平面上設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，考察其與南邊界面(y=-10.0 km)上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的差值，均方根差值的計(jì)算方法同式(3)，不過pi,0對(duì)應(yīng)于南邊界面。

Sp(y)曲線見圖4。由圖4(a)可見，y=-8.0～-9.5 km各平面的Sp均低于0.5%，曲線斜率接近于0。說明將南面邊界移動(dòng)至計(jì)算域中心以南8.0～9.5 km的區(qū)域所造成的誤差是可以忽略不計(jì)的。同樣，由圖4(b)，在不顯著增加計(jì)算誤差的情況下，可將北面邊界移動(dòng)至計(jì)算域中心以北6.0～9.5 km的區(qū)域。

圖4 基準(zhǔn)計(jì)算域各y平面與南/北邊界的靜壓均方根差值Sp(y)Fig.4 Sp(y) curve of reference computational domain

實(shí)際上，y=-6.5～-8.0 km的各平面的Sp也低于0.5%，在實(shí)際工程中基本上可忽略不計(jì)。但偏于保守地認(rèn)為，則以接近于0的斜率趨近于0的曲線段才是對(duì)整體貢獻(xiàn)可以忽略的部分。顯然，y=-6.5～-8.0 km曲線段的斜率并不接近于0，因此，不認(rèn)為該部分對(duì)整體的貢獻(xiàn)可以忽略。

按這3種方法分別進(jìn)行高度、順風(fēng)向長度、橫風(fēng)向?qū)挾鹊脑O(shè)置，舍棄掉對(duì)整體貢獻(xiàn)可被忽略的區(qū)域，所選定的用于實(shí)際求解的計(jì)算域?yàn)椋篐=3.5 km、LE=8.5 km、LW=8.0 km、LS=8.0 km、LN=6.0 km，其體積僅為基準(zhǔn)計(jì)算域的0.27倍。

2.5 計(jì)算域設(shè)置步驟

山區(qū)橋址處CFD計(jì)算域的設(shè)置步驟為：

1)設(shè)置一個(gè)大范圍的基準(zhǔn)計(jì)算域，將本區(qū)域內(nèi)所有具代表性的地貌包含在內(nèi)；獲取本區(qū)氣象數(shù)據(jù)，以本區(qū)的盛行風(fēng)向?yàn)槿肟?，以相?duì)于實(shí)際求解較疏的網(wǎng)格、較低階的計(jì)算方法進(jìn)行快速初算；

2)繪制基準(zhǔn)計(jì)算域的平均風(fēng)壓系數(shù)極差隨離地高度Z的變化曲線ΔCp(z)，以曲線上趨近于零值的拐點(diǎn)高度作為實(shí)際計(jì)算域的高度；

3)分別以順風(fēng)向(盛行風(fēng))上的兩個(gè)邊界面為速度入口進(jìn)行求解，繪制其壁面附近水平面的靜壓偏差云圖δp，舍棄掉低于其均方根值S(δp)的部分，余下部分的長度即為實(shí)際計(jì)算域的順風(fēng)向長度；

4)在橫風(fēng)向上的各平面設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，考察各監(jiān)控點(diǎn)靜壓與對(duì)應(yīng)兩個(gè)邊界面的差值，分別繪制其均方根誤差曲線Sp(y)，以趨近于零值的拐點(diǎn)作為實(shí)際計(jì)算域的橫風(fēng)向長度。

3 算法驗(yàn)證

計(jì)算域高度、順風(fēng)向長度、橫風(fēng)向?qū)挾鹊脑O(shè)置方法是在不斷試算、反復(fù)篩選的基礎(chǔ)上而提出的，必須對(duì)其進(jìn)一步的驗(yàn)證。驗(yàn)證思路為：按上述方法已經(jīng)評(píng)價(jià)出對(duì)整體風(fēng)場(chǎng)貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)的區(qū)域，分別舍棄掉這些區(qū)域，建立若干個(gè)檢驗(yàn)計(jì)算域。對(duì)比檢驗(yàn)計(jì)算域的解與標(biāo)準(zhǔn)解(基準(zhǔn)計(jì)算域的解)的差異。若差異可忽略不計(jì)，說明舍棄掉區(qū)域不會(huì)增強(qiáng)顯著的模型誤差，即驗(yàn)證了上述方法的準(zhǔn)確性；若差異不可忽略，則說明上述方法并不適用。

3.1 檢驗(yàn)計(jì)算域

以0.5 km為增量，分別將H、LE、LW、LS、LN作為唯一變量，設(shè)置H=1.0～5.5 km的10個(gè)、LE=2.5～12.0 km的20個(gè)、LW=2.5～12.0 km的20個(gè)、LN=2.0～9.5 km的18個(gè)、LS=2.0～9.5 km的18個(gè)(共計(jì)86個(gè))檢驗(yàn)計(jì)算域。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)與東南風(fēng)。因此，除LE=2.5～12.0 km的20個(gè)檢驗(yàn)計(jì)算域外，其余檢驗(yàn)計(jì)算域均以西面邊界入流，形成由西向東的流向。與之對(duì)比的基準(zhǔn)計(jì)算域也取西面邊界為入流面進(jìn)行求解，其網(wǎng)格劃分、求解方法均與各檢驗(yàn)計(jì)算域完全一致，從而保證了H、LW、LS、LN分別作為變量的唯一性；對(duì)于LE=2.5～12.0 km的20個(gè)檢驗(yàn)計(jì)算域，若以西面邊界入流，則各計(jì)算域與基準(zhǔn)計(jì)算域的出流面不一致，可能導(dǎo)致額外的誤差。因此，這20個(gè)檢驗(yàn)計(jì)算域均以東面邊界入流，形成由東向西的流向，與之對(duì)比的基準(zhǔn)計(jì)算域也取東面邊界入流。

3.2 五參數(shù)對(duì)計(jì)算誤差的影響

在各檢驗(yàn)計(jì)算域內(nèi)部區(qū)域Z=1/4Hj、2/4Hj、3/4Hj、Hj(Hj為檢驗(yàn)計(jì)算域的高度)處的水平面上以100 m的間隔設(shè)置2 000個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，每個(gè)檢驗(yàn)計(jì)算域共計(jì)4×2 000=8 000個(gè)監(jiān)控點(diǎn)。對(duì)比檢驗(yàn)計(jì)算域各監(jiān)控點(diǎn)的順風(fēng)向、橫風(fēng)向、豎向風(fēng)速與基準(zhǔn)計(jì)算域?qū)?yīng)點(diǎn)的差值，其均方根誤差的計(jì)算式為

(4)

式中：vi,j為檢驗(yàn)計(jì)算域第i個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的風(fēng)速；vi,0為基準(zhǔn)計(jì)算域?qū)?yīng)點(diǎn)的風(fēng)速。若某檢驗(yàn)計(jì)算域的順風(fēng)向速度vx、橫風(fēng)向速度vy、豎向速度vz的誤差(Svx、Svy、Svz)均趨近于0，且所在曲線段斜率接近于0，則認(rèn)為其模型誤差可忽略不計(jì)。

Svx、Svy、Svz隨H、LE、LW、LS、LN的變化曲線如圖5。由圖5可見，模型誤差可忽略不計(jì)的檢驗(yàn)計(jì)算域有：H=3.5～5.5 km的5個(gè)，LE=8.5～12.0 km的8個(gè)，LW=8～12.0 km的9個(gè)，LN=6.0～9.5 km的8個(gè)以及LS=7.5～9.5 km的5個(gè)。說明H=3.5～6.0 km、LE=8.5～12.5 km、LW=8～12.5 km、LN=6.0～10.0 km、LS=7.5～10.0 km這些區(qū)域是可以被舍棄的。

而按照該設(shè)置方法，選定的計(jì)算域?yàn)椋篐=3.5 km，LE=8.5 km，LW=8.0 km，LS=8.0 km，LN=6.0 km。可見，除LW偏于保守外(多估計(jì)了0.5 km)，其余參數(shù)均與與Svx、Svy、Svz誤差曲線的結(jié)果準(zhǔn)確吻合，從而驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

圖5 高度(圖(a))、順風(fēng)向(圖(b)、(c))及橫風(fēng)向長度(圖(d)、(e))對(duì)計(jì)算誤差Svx、Svy、Svz的影響曲線Fig.5 Impact of H、LE、LW、LSand LNon calculation error

4 結(jié) 論

1)山區(qū)風(fēng)場(chǎng)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性與不確定性，在選取其計(jì)算域時(shí)，不可盲目參照已有的工程經(jīng)驗(yàn)。

2)提出了山區(qū)橋址處CFD計(jì)算域的選取方法，驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。

3)進(jìn)行了一些偏于保守的處理：認(rèn)為曲線上以近于0斜率趨近于零值者才是對(duì)整體貢獻(xiàn)可忽略的部分；工程運(yùn)用時(shí)可視精度需要選擇貢獻(xiàn)大小的分界；以受壁面影響最大的水平面代表計(jì)算域在順風(fēng)向的分布，工程運(yùn)用時(shí)可視精度需要選擇離壁面稍遠(yuǎn)一些的平面。

4)計(jì)算域的選取工作尚未涉及實(shí)際求解的高精度需求，因此,可以較疏的網(wǎng)格、較低階算法進(jìn)行快速初算；再通過簡(jiǎn)單處理即可準(zhǔn)確、直觀地篩選出實(shí)際求解的計(jì)算域，并不會(huì)增加額外的計(jì)算負(fù)擔(dān)。

5)本例所選定的實(shí)際計(jì)算域體積僅為基準(zhǔn)計(jì)算域的0.27倍，在進(jìn)行密網(wǎng)格、高階算法、復(fù)雜湍流模型、多工況的實(shí)際求解時(shí)，可大大減少工作量，縮短計(jì)算周期。

[1] 周志勇，肖亮，丁泉順，等.大范圍區(qū)域復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J].力學(xué)季刊，2010，31(1)：101-107. Zhou Z Y,Xiao L,Ding Q S,et al. Numerical simulation study of wind environment for the flow around large region with complex terrain [J]. Chinese Quarterly of Mechanics,2010,31(1): 101-107. (in Chinese)

[2] 賀德馨.我國風(fēng)工程研究現(xiàn)狀與展望[J].力學(xué)與實(shí)踐，2002，24(4)：10-19. He D X. The status and vista of wind engineering studies in China [J]. Mechanics in Engineering,2002,24(4): 10-19. (in Chinese)

[3] 項(xiàng)海帆.進(jìn)入21世紀(jì)的橋梁風(fēng)工程研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002,30(5): 529-532. Xiang H F. Study on bridge wind engineering into the 21st century [J]. Journal of Tongji University: Natural Science,2002,30(5): 529-532. (in Chinese)

[4] Ding Y L,Zhou G D,Li A Q,et al. Statistical characteristics of sustained wind environment for a long-span bridge based on long-term field measurement data [J]. Wind and Structures,2013,17(1): 43-68.

[5] Blocken B,Stathopoulos T,Carmeliet J,et al. Application of computational fluid dynamics in building performance simulation for the outdoor environment: An overview[J]. Journal of Building Performance Simulation,2011,4(2): 157-184.

[6] 曾鍇，汪叢軍，黃本才，等.計(jì)算風(fēng)工程中幾個(gè)關(guān)鍵影響因素的分析與建議[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25(4)：504-508. Zeng K,Wang C J,Huang B C,et al.Suggestion and analysis of several key factors in computational wind engineering [J]. Acta Aerodynamica Sinica,2007,25(4): 504-508. (in Chinese)

[7] Zhu Z W,Liu Z Q. CFD prediction of local scour hole around bridge piers [J]. Journal of Central South University of Technology: English Edition,2012,19(1): 273-281.

[8] Fujiwara T. Application of statistical system identification method to the analysis of wind-induced current and wind set-up [J]. Coastal Engineering Journal,1985,28: 117-123.

[9] 崔利民，彭興黔，時(shí)凌琳，等.山體地形下低矮房屋數(shù)值風(fēng)洞模擬的計(jì)算域設(shè)定[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，31(4)：463-467. Cui L M,Peng X Q,Shi L L,et al. Computational domain setting about numerical wind tunnel in the simulation of the low-rise housing in the mountain terrain [J]. Journal of Huaqiao University: Natural Science,2010,31(4): 463-467. (in Chinese)

[10] Jakob N,Gurevych I. Extracting opinion targets in asingle-and cross-domain setting with conditional random fields [C]// Conference on Empirical Methods in Natural Language Processing,Cambridge,MA,United States,2010: 1035-1045.

[11] Hu W L,Zhang Y H,Wang L B. Numerical simulation on turbulent fluid flowand heat transfer enhancement of a tube bank fin heat exchanger with mounted vortex generators on the fins [J]. Journal of Enhanced Heat Transfer,2010,18(5): 361-374.

[12] Franke J,Hellsten A,Heinke K,et al. The COST 732 best practice guideline for CFD simulation of flows in the urban environment: A summary [J]. International Journal of Environment and Pollution,2011,44: 419-427.

[13] 祝志文，張士寧，劉震卿，等.橋址峽谷地貌風(fēng)場(chǎng)特性的CFD模擬[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，38(10)：13-17. Zhu Z W,Zhang S N,Liu Z Q,et al. CFD simulation of wind field at bridge site on gorge terrain [J]. Journal of Hunan University: Natural Science,2011,38(10): 13-17. (in Chinese)

[14] 李永樂，蔡憲棠，唐康，等.深切峽谷橋址區(qū)風(fēng)場(chǎng)空間分布特性的數(shù)值模擬研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，44(2)：116-122. Li Y L,Cai X T,Tang K,et al. Study of spatial distribution feature of wind fields over bridge site with a deep-cutting gorge using numerical simulation [J]. China Civil Engineering Journal,2011,44(2): 116-122. (in Chinese)

[15] Huang W F,Xu Y L. Prediction of typhoon design wind speed and profile over complex terrain [J]. Structural Engineering and Mechanics,2013,45(1): 1-18.

(編輯 胡英奎)

Method of setting up the wind field of a mountain bridge site

ZhangLiangliang,WuBo,YangYang,LiuLianjie

(School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing400045,P. R. China)

The wind field of a mountain bridge site always shows a strong randomness and uncertainty. As a result,setting up its computational domain in CFD simulation by a simply reference to the existing experience causes a large amount of model errors and huge additional computational overhead. To solve this problem,a method to the selection of CFD computational domain of complex terrains is explored and verified. To start the procedure,a large reference computational domain should be chosen and preliminary solved. Then,its solution should be post-processed to draw the following curves or contour images: range of mean pressure coefficient align with height,static pressure deviation contour of the horizontal plane near the top of the bottom surface,the root-mean-square error of the static pressure of the crosswind planes compared to the corresponding edge surface. According to these curves and contour images,areas parts which have slight contribution on the overall wind field are figured out and abandoned,and the selected computational domain is constitutive of the rest parts of the reference domain.

computational domain settings; mountain terrain; CFD; model error;computational efficiency

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.05.002

2015-07-05 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51578098)

張亮亮(1956-)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事橋梁力學(xué)性能分析、橋梁抗風(fēng)研究，(E-mail)zll200510@126.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China(No.51578098)

V211.3;O368

A

1674-4764(2015)05-0011-07

Received:2015-07-05

Author brief：Zhang Liangliang (1956-),professor,doctoral supervisor,main research interests:bridge mechanics performance analysis & wind resistance of bridge,(E-mail) zll200510@126.com.