計算風工程在山區風環境的應用和研究

劉思為（廣東省建筑設計研究院，廣東廣州510010）

計算風工程在山區風環境的應用和研究

劉思為（廣東省建筑設計研究院，廣東廣州510010）

與沿海和平原地區風特性相比，山區峽谷有陣風強烈，湍流強度大等特點。本文基于FLUENT軟件平臺建立了劉家峽大橋橋址處區風場模型，對其周圍復雜的風環境進行了數值模擬，計算出了劉家峽大橋各測點的風速及風向角，對劉家峽大橋橋址區的風特性進行較為系統的研究，初步確定了劉家峽大橋設計的相關風特性參數。

計算風工程；數值模擬；山區風環境

1 引言

1940年，美國華盛頓州建成才4個月的塔科馬（Tacoma）大橋，在不到20m/s的風作用下發生強烈的風致振動而破壞。這一重大事故震驚工程界的同時，也開啟了人類對風特性的探索之門。

20世紀60年代末，工程界對風荷載和風振的研究初見成果。模擬大氣邊界層氣流的結構風洞的修建，在風工程研究史上有里程碑的意義，它的出現標志著風工程學科的正式誕生。風工程學的研究對象是大氣邊界層內的風與地表物體之間的相互作用，其研究內容包含了空氣動力學、氣象學、橋梁工程、建筑工程、結構動力學等多門學科理論，是一門多學科相互滲透和相互促進的交叉學科。

計算流體力學（Computational Fluid Dynamic，簡稱CFD）是流體力學的一個分支學科，計算風工程（Computational Wind Engineering，簡稱CWE）是其在實際工程中的應用和衍生。相比理論分析，計算風工程是一種數值模擬方法，得出的是流體的離散解，而非解析解。因此，必須與物理分析相結合，才能在求解流體運動時，合理的揭示流動的機理和特征。

風工程研究的流體一般為不可壓縮的低速流體。因此，計算風工程的主要工作是利用數值方法求解滿足定解條件，通過描述不可壓縮流動現象的流體動力學方程組，或其他各種簡化方程組來研究和解決風工程的問題。

數值模擬與傳統物理模擬（以風洞試驗為主）相比，具有周期短、費用低、便于模擬真實環境、描述流場細節和給出流場定量結果等優勢。隨著計算流體力學的發展和計算機能力的提升，計算風工程被廣泛應用于建筑、橋梁、車輛和能源等工程領域中，展現出良好的工程前景。

2 計算原理

2.1 基本方程

流體力學理論是基于質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律等三大定律發展而來。基本方程是三大定律的數學表達式，是計算風工程的理論基礎。由于計算風工程中的研究對象不涉及溫度場的問題，質量守恒方程和動量守恒方程就構成了基本的動力學方程組。

連續方程：

2.2 湍流模型

流體運動的基本形態分為層流和湍流，風工程研究對象一般都是湍流。湍流最主要的特征歸結為隨機性、擴散性、有渦性和耗散性。計算風工程中主要采用的湍流模式理論來模擬湍流。湍流模式理論是以雷諾平均運動方程與脈動運動方程為基礎，引入一系列的湍流模型假設，建立起一組描述湍流平均量的封閉方程組。

近年來CFD計算發展了多個計算模型，標準k-ε是其中理論與實踐比較成熟的模型，其方程為：

湍流動能方程：

2.3 計算方法

求解不可壓縮流體運動的基本方程，通常只能通過數值方法將微分方程組轉換成代數方程。離散不可壓縮流動基本方程的主要方法有有限差分法、有限單元法、有限體積法。有限體積法（finite volume method或簡稱FVM）又稱為控制體積法。其核心算法是將計算區域劃分為一定數量的體積單元，設定網格中心或網格點為控制點，每個控制點控制其周邊網格范圍內的體積單元；對一定數量的控制體進行積分，求解方程。

有限體積法只尋求結點值，這與有限差分法相類似；但有限體積法在尋求控制體積的積分時，必須假定值在網格點之間的分布，這又與有限單元法相類似。在有限體積法中，插值函數只用于計算控制體積的積分，得出離散方程之后，便可忘掉插值函數；如果需要的話，可以對微分方程中不同的項采取不同的插值函數。因此，有限體積法的格式類同于有限差分法，因其出色的守恒性又優于有限差分法。有限體積法可以采用各種形狀的網格以適應各種復雜的邊界形狀，這點和有限元法類似，相比于有限元法，求解方便是有限體積法的優勢。

本文選用標準模型，采用有限體積法，利用計算流體力學軟件Fluent6.3對上述方程求解。

3 工程概況

劉家峽大橋位于甘肅省臨夏回族自治州東鄉族自治縣考勒鄉劉家峽水庫庫旁，跨越紅池溝和本地溝匯合處，橋址處大塬為考勒塬、八十個塬、尕細塬、大塬。

劉家峽大橋跨徑組合為16+536+16m，全長568m。設計成橋狀態下，理論垂度為48.70m，垂跨比約為1：11，纜中心間距15.6m，跨中主纜距橋面4.0m。臨夏折橋側背索跨度為150m，蘭州達川側背索跨度為118m。大橋建成后成為西北地區單跨跨度最大的橋梁。

橋址周圍為山區峽谷與水庫交匯地帶，地形極其復雜。由于地形變化造成的風的非平穩特性將對橋梁結構產生非常不利影響。

4 數值計算模擬

針對劉家峽大橋橋址區地形地貌特點，以大橋為中心，選取東西方向長度為9200m，南北方向長度為10000m，高度從0～2200m的長方體（扣除山體、河流所占空間）作為計算區域。計算區域的底邊界根據1：10000等高線地形圖導入計算機模擬生成。

在滿足計算精度的前提下，計算模型采用空間梯田模型。網格數量為3755703個單元，7583879個節點。局部網格劃分情況如圖1所示?？疾觳煌较蝻L作用對大橋結構的影響，取18個角度作為計算來流方向，如圖2所示，圖中圓圈內的數字代表計算工況。

圖1 局部網格劃分圖

圖2 風向示意圖

風場計算中入口處來流風速：40m/s。風向角α、β按圖2所示坐標系定義，其中：

順橋向風速、橫橋向風速、豎向風速分量分別用u、v、w表示，攻角α對主梁抗風性能有重要影響，正攻角代表上升氣流，負攻角代表下降氣流。

為了反映橋位處風速的變化規律，沿橋軸線位置重點考察了22個計算點，如圖3所示。

圖3 考察點布置圖

5 計算結果分析

橋址地形數值計算模擬了從正北方向（0°）開始按逆時針方向以22.5°等間隔增加的16個不同方向以及2個橫橋向來流風作用下考察點的風速分布情況，每個來流方向作為一個計算工況，如圖2所示。平均風攻角α和風向角β是描述橋位風場的重要參數，評價各方向來流對橋梁抗風性能的影響，應綜合考慮攻角α和風向角β的數值。

綜合考慮橋址方位和來流風方向，當來流風方向在315～ 45°（工況一、二、十七、十八），135～225°（工況八～十一）之間時，抗風性能控制因數是平均風攻角α，當來流風方向為45～135°（工況四～六），225～315°（工況十三～十五）時，抗風性能控制因數是風向角β。當來流風方向為45°、135°、225°、315°（工況三、七、十二、十六）時，抗風性能控制因數是風攻角α和風向角β。

圖4和圖5給出了這兩個重要參數沿橋軸線的變化特征。

圖4 不同工況攻角α沿橋軸線的變化曲線

圖5 不同工況風向角β沿橋軸線的變化曲線

6 工程總結

本文運用大型CFD軟件FLUENT對劉家峽大橋橋址處復雜的風環境進行數值模擬，得出了橋址附近的風環境特性，對各方向來流對橋梁抗風性能的影響進行了評價，初步確定了劉家峽大橋設計的相關風特性參數。相比于傳統的風洞試驗，本文采用了周期短、成本低的計算流體力學方法對風工程進行了研究和探索，取得了不錯的效果。

7 不足與展望

在對橋址附近風環境模擬中，因計算能力有限，只選取了10m等高線作為模擬的地形依據，模擬精度受到限制。此外，由于缺乏當地詳細的風玫瑰圖及相關氣象資料，無法對橋址附近風環境給出更加準確地分析和預測。

本文對山區風環境的數值模擬理論是建立在平均N-S方程和湍流封閉模型的基礎上的，無法模擬脈動風壓。對脈動風壓的模擬需要更精確的數值方法和湍流模型，同時對計算機硬件也提出更高的要求。

在以后的數值模擬研究工作中，針對以上存在的不足，在條件允許的情況下，應采用更為精確合理的湍流模型，如雷諾應力模型，或采用考慮脈動效應的數值模擬方法，如大渦模擬方法。同時利用計算能力更強大的計算機，對山區風環境進行細致模擬和精確預測。在風環境的模擬中，對所研究的結構周圍的地形的一些特性資料要有一定的把握，這樣才能更充分的考慮復雜地形對結構抗風性能的的影響。同時也應大量收集結構所在地的常年風速風向等氣象資料，為準確的模擬結構周邊風環境提供必要的數據。

［1］黃本才．結構抗風分析原理及應用（第二版）.上海：同濟大學出版社，2008.

［2］項海帆．結構風工程研究的現狀和展望．振動工程學報，1997，10（3）.［3］賀德馨．我國風工程研究現狀與展望．力學與實踐，2002，24.

［4］楊偉，顧明．高層建筑三維定常風場數值模擬．同濟大學學報，2003．

個人榮譽及獲獎情況：全國優秀工程勘察設計獎三等獎。

TU312.1

A

2095-2066（2016）30-0142-03

2016-10-11

劉思為（1987-），男，工程師、全國二級注冊結構工程師，碩士研究生，主要從事建筑結構設計及風工程研究。