桥梁断面三分力系数的数值风洞研究

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摘要：基于计算流体力学（CFD）方法，利用商业软件FLUENT计算风对桥梁的静力作用，以一大跨桥梁的扁平箱梁为模型，分别以Realizable k-ε和SST k-ω湍流模型建立流场，提取不同攻角下的桥梁三分力系數，与物理风洞试验数据进行对比，给出主梁断面周圍流场的压强与速度分布图并进行分析。结果表明：数值模拟结果与风洞试验结果基本吻合，其结果精度能满足工程上的需求，进一步验证CFD能较为精确的数值模拟主梁断面的三分力系数并且在显示流体流动方面有极大的优越性。

关键词：三分力系数；CFD；数值模拟；桥梁断面

中图分类号：U441.2 文献标识码：A

现代桥梁正在朝着更长、更大、更柔的方向发展，其结构刚度明显降低，由风引起的桥梁结构振动响应与风荷载效应越来越受到人们的关注，并成为桥梁设计的控制因素之一。在桥梁抗风研究中，三分力系数——阻力系数C_D升力系数C_L、扭矩系数C_M是抖振响应分析、驰振稳定分析以及静风荷载稳定性分析中最重要的参数，三分力系数的取值直接影响桥梁抗风分析的精度。由于自然风环境的复杂性，到目前为止还没有形成一套完善的理论来解释风的特性，在计算风对桥梁的作用时无法得到精确的数学解析解，在实际应用中往往通过制作一定缩尺比的节段模型，通过风洞试验来测定三分力系数。风洞试验是在实验室里模拟大气边界层中的实际风环境和实际建筑结构，从实验室的模型风效应考察实际的结构效应是人为控制条件下对结构风效应再现，由于桥梁个体的复杂性和抗风理论总体上尚不成熟，风洞试验是目前主要的研究手段，有时甚至成为唯一的抗风设计依据。但风洞试验系统性和复杂性高度统一，因此难以作为广泛运用的手段。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）最早应用于结构风工程是在20世纪80年代，与风洞试验和现场实测相比，CFD数值方法因基于计算机开展，不需要风洞设备及测量仪器，也不涉及模型的设计和制作，故实验周期短、费用低。另外，它不受试验条件的约束，甚至能模拟试验无法实现的条件。有理由相信，随着高性能计算机系统的开发和湍流研究的发展，相信在若干年后，CFD数值方法在结构抗风设计、风与结构作用机理等方面将取得长足进步。

1计算流体力学（CFD）基本原理

计算流体力学（CFD）是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。CFD研究方程控制着流动过程，通常称为“CFD的控制方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）”。为了求解这些方程，在连续介质假设下，把原来在时间域和空间域上连续的物理场，用一系列离散点上的变量值的集合来代替，并通过一定的原则和方式建立起反映这些离散点上场变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。以下为微分形式的CFD控制方程：