山区桥址区脉动风环境的大涡模拟

发布于：2022-11-24 14:05:24 来自：道路桥梁/桥梁工程 [复制转发]

一

研究意义

悬索桥结构非常轻柔，在风荷载作用下桥梁结构非常敏感，容易发生不利的桥梁振动。云南某山区桥梁桥址区为典型的山区峡谷地形，风场特性复杂多变，这给大桥的抗风设计带来了不确定的因素。因此，本文以该大桥桥址区为工程背景进行桥址区风环境的数值模拟研究，而以往大多数桥址区风环境数值模拟采用平均风入口，未考虑来流脉动成分的影响。所以本次研究中除了采用平均风剖面输入的方法以外，还采用了脉动风的输入方法，在保证脉动风场模拟准确性的同时更能体现风场的脉动特性，为后续大桥的抗风设计和施工提供了更加科学的依据。

二

研究内容

入口边界脉动风合成序列的空风洞验证

基于谐波合成法的理论，利用MATLAB软件编程，模拟出满足目标条件的脉动风速时程。在ANSYS FLUENT软件里面创建了一个5m×4.5m×25m的空风洞模型,如图1所示，用以验证脉动风合成序列的正确性。

图1 空风洞数值模型网格划分图

然后根据风场流动12m后和风场流动24m后1m和2m高度处风速监测点的速度监测值模拟得到脉动风功率谱和相干函数特性与目标值的对比。

图2 模型1m高度处功率谱密

图3 模型2m高度处功率谱密度

图4 模型1m高度处自相关函数

图5 模型1m和2m高度处互相关函数

通过空风洞的验证可以发现风场流动24m后的自相关性和互相关性在经过一段距离的发展后比风场流动12m后的模拟结果更加接近目标值，因而本研究使用的脉动风加入方法在风速谱和相关性的模拟上也得到了较好的结果，也从这一点验证了本研究方法的正确性。

实际山区地形数值模型

以实际的山区桥址区地形为研究背景，建立实际地形的数值模型。计算域大小设置为8km×6km×5km。在ICEM软件中进行该大桥桥址区三维模型网格划分，采用四面体网格进行整个计算域的非结构化网格划分。为了保证数值模拟结果的准确性，在近地表采用棱柱体网格进行网格加密。第一层网格高度为2m，往上的增长率为1.1，最后的网格划分总数为310万。

图6 实际地形数值模型

结合前文所验证的脉动风合层序列，基于大涡模拟，研究该地形的脉动风特性，并与采用平均雷诺法得到的平均分特性进行对比。大涡模拟采用的湍流模型是LES(大涡模拟) 亚格子模型。求解方法采用算法，对流项和扩散项均采用二阶中心差分格式，时间导数采用二阶半隐式离散方法，收敛标准为10^-6。

由于桥址区地形的影响，不同来流方向下，桥址区的风环境有很大不同。因此，本文根据桥位处河道的主要弯曲方向设置了六个不同来流风向角的工况（如图7所示）。以南偏西6.3°方向来流（垂直于桥轴线）的入口风为工况2，每20°一个工况。规定0°来流方向为正南方向，以南偏东0°～180°范围为正，以南偏西0°～180°范围为负，无脉动来流下平均风剖面输入的依次为工况1～工况6；脉动来流下平均风剖面输入的依次为工况7～工况12。此外，为得到桥梁处风环境特点，测点布置如图8所示。

图7 工况设置

图8 测点设置

实际山区地形的脉动风特性

为了能够更加直观地看出不同来流边界条件下桥位处的脉动风特性，本文选择平均风来流下工况2、3、5、6与脉动风来流下工况8、9、11、12的结果进行对比，将跨中桥面测点的风速时程绘制成图，见图9。

(a)工况8与工况2

(b)工况9与工况3

(c)工况11与工况5

(d)工况12与工况6

图9 不同边界条件下的风速时程

平均风剖面和来流脉动风输入下不同工况的横桥向紊流度剖面对比如图10所示。由于来流脉动风的脉动成分，脉动风来流的紊流度比平均风来流下的要大。

(a)工况1与工况7

(b)工况2与工况8

(c)工况3与工况9

(d)工况4与工况10

(e)工况5与工况11

(f)工况6与工况12

图10 不同边界条件下横桥向紊流度剖面（跨中竖向测点）

同时研究了主梁跨中测点的脉动风功率谱，利用数值模拟的功率谱与Simiu谱、Von Karman谱进行对比，如图11所示。由于桥址区地形的影响，脉动风来流下数值模拟各工况的横桥向脉动风功率谱与Von Karman谱更为吻合，在高频段略有衰减，在低频段基本吻合。低频段衰减较大的原因是由于网格数量的限制，提高网格数量可解决这一问题。