基于CFD的雙幅橋梁三分力系數(shù)識別

潘澤華+周建春

摘 要：雙幅橋面設(shè)計有利于增大橋梁通行流量，并改善橋梁風(fēng)振穩(wěn)定性。橋梁三分力系數(shù)的識別是橋梁風(fēng)振研究的重要內(nèi)容。文章使用計算流體動力學(xué)方法（CFD），利用FLUENT計算某航道橋雙幅橋梁的靜力三分力系數(shù)，并與風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行對比。計算結(jié)果表明，雙幅下游箱梁在上游箱梁的遮擋作用下阻力會下降，雙幅橋面升力和升力矩受到氣動外形改變的影響較小。

關(guān)鍵詞：CFD；雙幅橋面；三分力系數(shù)

橋梁三分力系數(shù)是抖振響應(yīng)分析、馳振穩(wěn)定性分析、靜風(fēng)荷載強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析中的重要參數(shù)。目前三分力系數(shù)的識別方法主要有風(fēng)洞試驗法和計算流體動力學(xué)方法（CFD），計算流體動力學(xué)方法相比風(fēng)洞試驗有著成本低，流動可視化強(qiáng)和可模擬多種工況等優(yōu)勢。目前，利用CFD方法可以較好的計算橋梁斷面的氣動三分力系數(shù)和顫振導(dǎo)數(shù)。[2]

1 計算流體動力學(xué)方法簡述

CFD方法無論具有怎樣的形式，其都是建立在流體力學(xué)的基本控制方程——連續(xù)性方程、動量方程、以及能量方程的基礎(chǔ)之上的。（計算流體力學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用）這三個原理的數(shù)學(xué)描述分別為：質(zhì)量守恒定律、牛頓第二定律以及能量守恒定律。[1]

流體力學(xué)中根據(jù)不同的控制體模型可以推導(dǎo)出不同形式的流動控制方程，但是本質(zhì)上這些方程之間都是可以相互轉(zhuǎn)化的。在符合質(zhì)能守恒和牛頓運(yùn)動定律的經(jīng)典力學(xué)背景下的流動控制體可分為四種模型：即在空間位置固定但質(zhì)量變化的有限控制體模型和無窮小微團(tuán)、隨著流動位置不斷發(fā)生變化但質(zhì)量不變的的有限控制體模型和無窮小微團(tuán)。由上述的四種模型均可以推導(dǎo)出相應(yīng)的流動控制方程。通過數(shù)值分析方法對流動控制方程進(jìn)行離散化，如有限差分法、有限體積法等。利用這些方法求得流場的溫度T、壓強(qiáng)p、液體的密度ρ和流動速度u、v、w，以上這6個變量就是流場的基本變量。[1]

本文采用計算流體動力學(xué)軟件FLUENT分別對單幅箱梁橫斷面、雙幅箱梁橫斷面進(jìn)行2維風(fēng)場模擬，并得到與氣動外型相關(guān)的無量綱量即阻力系數(shù)CD、升力系數(shù)CL、升力矩系數(shù)CM。上述無量綱參數(shù)可通過量綱分析得到：

式中FD、FL、MT分別為阻力、升力以及升力矩，ρ為空氣密度取1.225kg/m3，D、B、L分別為箱梁高度、寬度和長度，U為來流速度。[2]

2 工程概況

本文模擬某雙幅航道橋鋼箱梁橫截面三分力系數(shù)。單幅橋?qū)?3m，箱梁高度為3.5m，兩幅間距3.5m，流場區(qū)域取面積為：16×23m×24×23m=203136m2。本文采用1m×1m流場網(wǎng)格，在箱梁表面處使用0.1m×0.1m加密網(wǎng)格，共計約25萬單元數(shù)。本文模擬采用基于壓強(qiáng)的求解方法，湍流模型采用K-w-SST模型以模擬橋梁斷面無滑移壁面條件，速度入口邊界為橫橋向20m/s，0.4%低湍流強(qiáng)度，出口邊界條件為零壓強(qiáng)出口。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

首先對-5°至5°攻角范圍內(nèi)的單幅橋梁氣動三分力系數(shù)進(jìn)行模擬并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)如表1。

結(jié)合圖表可以看出模擬結(jié)果和試驗結(jié)果吻合得較好，可以通過CFD方法進(jìn)行三分力系數(shù)的計算。在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行雙幅橋面三分力系數(shù)的模擬，得到數(shù)據(jù)如表2。

由以上圖表可以看出，雙幅橋面的氣動響應(yīng)相比單幅橋面更加復(fù)雜。阻力方面：雙幅上下游斷面阻力系數(shù)較單幅均有下降，且下游下降趨勢更為明顯，這是因為上游斷面對下游斷面的遮擋作用。升力方面：由于流場的改變使得雙幅橋面的升力波動較為明顯，但在數(shù)值和變化趨勢上雙幅橋面上下游與單幅橋面是吻合的。升力矩方面：流場的改變使得雙幅下游升力矩大于上游升力矩，在升力矩變化趨勢上雙幅與單幅基本相同。

4 結(jié)束語

（1）利用CFD方法可以較好地模擬橋梁斷面的氣動三分力系數(shù)。

（2）雙幅橋面阻力相比單幅橋面均有下降， 下游斷面由于受到上游的遮擋作用下降得更加明顯。

（3）雙幅橋面下游升力系數(shù)及升力矩系數(shù)較單幅橋面只在數(shù)值上發(fā)生變化，在變化趨勢上較為一致，說明升力和升力矩雙幅外型的擾動較小。

參考文獻(xiàn)

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