基于CFD的雙幅橋梁三分力系數識別

潘澤華+周建春

摘 要：雙幅橋面設計有利于增大橋梁通行流量，并改善橋梁風振穩定性。橋梁三分力系數的識別是橋梁風振研究的重要內容。文章使用計算流體動力學方法（CFD），利用FLUENT計算某航道橋雙幅橋梁的靜力三分力系數，并與風洞試驗結果進行對比。計算結果表明，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。

關鍵詞：CFD；雙幅橋面；三分力系數

橋梁三分力系數是抖振響應分析、馳振穩定性分析、靜風荷載強度及穩定性分析中的重要參數。目前三分力系數的識別方法主要有風洞試驗法和計算流體動力學方法（CFD），計算流體動力學方法相比風洞試驗有著成本低，流動可視化強和可模擬多種工況等優勢。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和顫振導數。[2]

1 計算流體動力學方法簡述

CFD方法無論具有怎樣的形式，其都是建立在流體力學的基本控制方程——連續性方程、動量方程、以及能量方程的基礎之上的。（計算流體力學基礎及其應用）這三個原理的數學描述分別為：質量守恒定律、牛頓第二定律以及能量守恒定律。[1]

流體力學中根據不同的控制體模型可以推導出不同形式的流動控制方程，但是本質上這些方程之間都是可以相互轉化的。在符合質能守恒和牛頓運動定律的經典力學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量變化的有限控制體模型和無窮小微團、隨著流動位置不斷發生變化但質量不變的的有限控制體模型和無窮小微團。由上述的四種模型均可以推導出相應的流動控制方程。通過數值分析方法對流動控制方程進行離散化，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軟件FLUENT分別對單幅箱梁橫斷面、雙幅箱梁橫斷面進行2維風場模擬，并得到與氣動外型相關的無量綱量即阻力系數CD、升力系數CL、升力矩系數CM。上述無量綱參數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。單幅橋寬23m，箱梁高度為3.5m，兩幅間距3.5m，流場區域取面積為：16×23m×24×23m=203136m2。本文采用1m×1m流場網格，在箱梁表面處使用0.1m×0.1m加密網格，共計約25萬單元數。本文模擬采用基于壓強的求解方法，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%低湍流強度，出口邊界條件為零壓強出口。

3 數值模擬結果

首先對-5°至5°攻角范圍內的單幅橋梁氣動三分力系數進行模擬并與試驗結果進行對比，數據如表1。

結合圖表可以看出模擬結果和試驗結果吻合得較好，可以通過CFD方法進行三分力系數的計算。在此基礎之上進行雙幅橋面三分力系數的模擬，得到數據如表2。

由以上圖表可以看出，雙幅橋面的氣動響應相比單幅橋面更加復雜。阻力方面：雙幅上下游斷面阻力系數較單幅均有下降，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。

（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及升力矩系數較單幅橋面只在數值上發生變化，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

[1]吳頌平，劉趙森.計算流體力學及其應用[M].機械工業出版社， 2007.

[2]陳政清，劉小兵，劉志文.雙幅橋面橋梁三分力系數的氣動干擾效應研究[J].工程力學，2008，25（7）：87-92.

[3]程浩.波形鋼腹板波形鋼腹板PC組合箱梁橋抗風性能的研究分析[D].廣州：華南理工大學，2012.

[4]李玉柱，苑明順.流體力學[M].北京：高等教育出版社，2008.

[5]于勇.FLUENT入門與進階教程[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[6]劉鑰，陳政清，張志田.箱梁斷面靜風力系數的CFD模擬[J].振動與沖擊，2010，29（01），133-137.

[7]瞿偉廉，劉琳娜.基于CFD的橋梁三分力系數識別的數值研究[J].武漢理工大學學報，2007，29（7）：85-88.

[8]黃志淵，陳 .橋面風環境的數值風洞研究[J].福州大學學報（自然科學版），2007，35（1）：95-99.

[9]高亮，橋梁斷面三分力系數的試驗研究[D].西安：長安大學，2010.

[10]張倩.橋梁主梁斷面顫振導數的數值模擬研究[D].成都：西南交通大學，2007，12.