基于CFD的高速鐵路混凝土箱梁氣動特性研究

楊 波

(北京中鐵房山橋梁有限公司，北京102412)

隨著山區(qū)高速鐵路的大量修建，風(fēng)對橋梁的影響將不容忽視［3］。

混凝土箱梁是鈍體結(jié)構(gòu)，獲取其氣動參數(shù)對研究高速鐵路橋梁的抗風(fēng)性能是十分必要的。目前橋梁氣動特性的獲取方法主要有以下三種：通過模擬地形風(fēng)洞試驗、現(xiàn)場風(fēng)速觀測、數(shù)值風(fēng)洞方法(CFD)［4］。通過風(fēng)洞試驗測定靜力三分力系數(shù)來描述風(fēng)對橋梁的靜力作用具有較好的可靠性，但是三分力系數(shù)獲取試驗具有周期長、成本高、不能進(jìn)行強風(fēng)暴雨模擬等缺點［5］?，F(xiàn)場實測的方法只能適用于既有橋梁，對于尚未建成橋梁的氣動特性無法預(yù)測。CFD數(shù)值模擬技術(shù)可以模擬復(fù)雜的三維風(fēng)場，是一種新型的研究方法，可以便捷地獲取橋梁斷面的氣動特性，不僅節(jié)約人力物力，而且重復(fù)性好、節(jié)約時間、能在較廣泛的參數(shù)范圍內(nèi)較快地給出流場定量結(jié)果、不受試驗中固有約束條件(風(fēng)洞洞壁干擾、支架干擾等)的影響。

本文以高速鐵路橋梁實際斷面為工程背景，討論了在不同風(fēng)攻角來流作用對主梁斷面氣動力系數(shù)和渦振性能的影響。

1 CFD分析模型

本文選擇我國鐵路部門通用的標(biāo)準(zhǔn)跨度為32 m、時速為250 km/h的無砟軌道簡支箱梁作為研究對象，主梁全寬B=12.588m，高D=3.07m。本文彩用無縮尺模型，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)置計算區(qū)域如圖1所示。其中，L1=183m，L2=305m，D=246.4m，滿足阻塞比不大于5%的數(shù)值風(fēng)洞試驗條件，還可以使尾流得到充分發(fā)展。迎風(fēng)側(cè)邊界設(shè)置為速度入口邊界(Velocity-inlet)，背風(fēng)側(cè)邊界設(shè)置為壓力出口邊界(Pressure outlet)，上下邊界條件視來流風(fēng)速方向而定，若為正方向，則下邊界定為速度進(jìn)口，上邊界定位壓力出口；若為負(fù)方向，則反之；若方向水平，上下邊界均設(shè)置為對稱邊界，主梁采用無滑移壁面邊界(Wall)［6］。

劃分網(wǎng)格時采用了混合網(wǎng)格劃分的方法［2］。在主梁斷面附近及尾流區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃分較密；在主梁斷面較遠(yuǎn)區(qū)域采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃分較疏，中間區(qū)域進(jìn)行合理過渡，網(wǎng)格全部采用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量14.3×104個(圖2)。

圖1 計算區(qū)域

圖2 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

選用非定常模型進(jìn)行計算，采用SST k-ω湍流模型和SIMPLEC算法，動量方程、湍流耗散率方程和湍動能方程皆使用二階離散格式，來流風(fēng)速設(shè)置為U=30m/s，湍流因子取0.5%，粘性系數(shù)取為2，計算時間步長取0.001 s［7］。

2 主梁氣動特性

2.1 三分力系數(shù)

作用在橋上的靜風(fēng)荷載通?？梢杂皿w軸坐標(biāo)系(坐標(biāo)系按照截面形心主軸建立)和風(fēng)軸坐標(biāo)系(坐標(biāo)系按照來流風(fēng)向建立)兩種方式來表示(圖3)。

圖3 三分力示意

氣動力系數(shù)是一組無量綱的參數(shù)，用來描述靜風(fēng)荷載。體軸坐標(biāo)系下作用在結(jié)構(gòu)上的氣動力系數(shù)按照式(1)～式(3)定義。

阻力系數(shù)：

升力系數(shù)：

力矩系數(shù)：

式中：α為來流風(fēng)攻角；ρ為空氣的密度，取ρ=1.225 kg/m3；U為來流風(fēng)速(m/s)；B為主梁斷面寬度，取B=12.588m；D為主梁斷面高度，D=3.07m；FH、FV和MT分別為作用在斷面上的升力、阻力和力矩。在風(fēng)軸坐標(biāo)系下，三分力系數(shù)仍可采用上式表達(dá)，但必須采用風(fēng)軸系下的荷載與系數(shù)。

為研究大攻角來流風(fēng)作用下主梁的氣動特性，取U=30 m/s，計算-5°～+5°下主梁的三分力系數(shù)，計算結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖可知，在風(fēng)軸系和體軸系下的主梁三分力系數(shù)趨勢大致相同。隨著風(fēng)攻角的增大，升力系數(shù)逐漸增大；阻力系數(shù)先減小再增大，在+3°時取得最小值；力矩系數(shù)始終在0左右徘徊。

圖4 體軸系下三分力系數(shù)

圖5 風(fēng)軸系下三分力系數(shù)

2.2 渦振性能

氣流經(jīng)過鈍體結(jié)構(gòu)時可能發(fā)生漩渦脫落，出現(xiàn)兩側(cè)交替變化的渦激力，當(dāng)漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率近似相等時，會發(fā)生共振嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性。升力系數(shù)的變化頻率可有效地反映漩渦的脫落頻率，而漩渦的脫落頻率與來流風(fēng)速U和結(jié)構(gòu)的截面形狀有關(guān)，可用斯托羅哈數(shù)(Strouhal)來描述，如式(4)所示［8］。

式中：D為結(jié)構(gòu)垂直于來流方向的特征尺寸，取D=3.07m；U為來流風(fēng)速；f為旋渦脫落頻率，可以通過對氣動力時程變化曲線進(jìn)行頻譜分析得到。

為研究混凝土箱梁的渦振性能，計算0°攻角下不同風(fēng)速 (U=20m/s、30m/s、40m/s)主梁的氣動特性，計算得到不同風(fēng)速下的渦脫頻率如圖6所示，斯托羅哈數(shù)如表1所示。

圖6 不同風(fēng)速下的渦脫頻率

表1 主梁斯托羅哈數(shù)

由結(jié)果可知：隨著風(fēng)速的增大，主梁的渦脫頻率呈線性增大。在不同的風(fēng)速下，主梁的斯托羅哈數(shù)近似相等。

3 結(jié)論

本文對時速250 km/h高速鐵路混凝土箱梁進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，通過分析主梁的氣動參數(shù)得到如下結(jié)論：

(1)在風(fēng)軸系和體軸系下的主梁三分力系數(shù)趨勢大致相同。隨著風(fēng)攻角的增大，升力系數(shù)逐漸增大；阻力系數(shù)先減小再增大，在+3°時取得最小值；力矩系數(shù)始終在0左右徘徊。

(2)隨著風(fēng)速的增大，主梁的渦脫頻率呈線性增大。在不同的風(fēng)速下，主梁的斯托羅哈數(shù)近似相等。