山區峽谷橋址處風場實測與數值模擬研究

沈煉　韓艷　蔡春聲　董國朝　李春光

摘要：為準確模擬山區峽谷橋址處的三維紊流風場，以澧水大橋所在峽谷為工程背景，將現場實測風場用諧波合成法進行等效處理生成了滿足峽谷風場特性的隨機來流，然后基于對Fluent的二次開發，將生成的隨機來流賦予大渦模擬的入口邊界。通過對比本文方法和無脈動入口計算結果發現，本文方法更能體現山區峽谷風場的真實流態，最后在本文方法基礎上對不同風向角作用下的山區峽谷橋址處風場進行了數值模擬，得到了峽谷橋址處風場的詳細分布特性，可為山區峽谷地形紊流場精細化數值模擬提供參考。

關鍵詞：山區峽谷；諧波合成；現場實測；脈動風速；大渦模擬

中圖分類號：TU311.3 文獻標識碼：A

隨著國民經濟的高速發展，越來越多的大跨度橋梁建成并投入使用。在復雜的峽谷地區，由于地形起伏大、地貌多樣，風環境極為復雜，平原、海洋地區通常使用的各向同性地貌條件對山區峽谷地區風場的描述不再適用。橋址處風場受周邊山體影響，有顯著的非定常效應，風場脈動劇烈，紊流風引起的風致振動問題相比于跨江、跨海橋梁更顯突出，而目前人們對這些地區的脈動風場分布研究還相對較少，現有研究數據還不足以形成規范性的條文。因此，加強對山區峽谷橋址處的風特性認識已成為了廣大研究者關注的焦點問題之一。目前，對山區峽谷風場的研究手段主要有現場實測、風洞實驗和數值模擬。現場實測是對峽谷風場研究最為直接和有效的方法，許多學者對其展開了工作，本文以澧水大橋所在峽谷為研究背景，用現場實測的方法對橋址所在峽谷進行了風速監測，然后運用諧波合成法將現場實測風場進行等效處理后賦給數值模擬的人口邊界。現場實測數據雖然可為數值模擬和風洞實驗提供寶貴的參考，但是其不足的是實驗條件難以控制、投資較大、管理維護困難、監測周期長。與現場實測相類似，風洞實驗也是山區峽谷風場研究的重要手段，風洞實驗雖然具有多工況、可重復等優點，但由于物理風洞本身尺寸的限制，對于大區域山體地形，即使將風洞試驗模型比例縮小到最小尺度，在模型邊界上仍然會出現人為的峭壁，同時，也無法保證來流入口邊界條件（如風剖面、湍流度）與實際情況一致，從而導致結果失真，特別是在大比例模型試驗中變換風向角時的計算準確性尤其值得商榷。

相比現場監測和風洞實驗，計算流體動力學（CFD）方法發展很快，已被越來越多的研究者所應用。由于數值模擬不受時間和空間限制，具有可重復、消耗人力物力資源少等優點，許多學者對其展開了研究。對于復雜山區峽谷風場，CFD雖然具備模擬大區域地形的優勢，但依然存在一系列問題，如人口邊界的合理給定問題，針對該問題的研究，Maurizi等用1/10的斜坡作為氣流過渡段來處理入口邊界峭壁問題，但其斜坡形式較為簡單，適用性有待驗證；胡朋等采用曲線過渡段的辦法對峽谷人口進行處理，不足的是這種辦法會引起人為的來流風攻角。相比平原或洋面風場，山區地形風場的數值模擬涉及分離流、高雷諾數湍流和強三維流動等復雜的空氣流動，其核心是湍流問題。上述學者用雷諾平均湍流模型對其進行研究，其時均化過程中丟失了大量的脈動信息。目前普遍認為比較有潛力的大渦模擬（LES）在計算風工程中體現出優越性，但LES的合理脈動人口給定還有待進一步研究，Uchida和Ohya采用大渦模擬的方法對9.5 km×5 km區域范圍內空氣流動進行數值模擬，使用粗糙元制造脈動風，但其粗糙元的擺放產生的脈動風場可調性差，與實際的邊界條件仍存在一些出入，而正確的人口脈動信息給定是計算結果正確性的重要保證，因此，山區峽谷風場特性數值模擬時人口邊界條件中脈動的合理施加是當前數值模擬方法迫切需要解決的關鍵問題。

本文以澧水大橋所在峽谷為研究背景，建立了山區峽谷風場實時監測系統，對橋址上游及橋址附近風場進行了真實有效的記錄，基于諧波合成法將監測的實際風場進行等效，通過對商業軟件Fluent進行二次開發，較好地處理了山區峽谷風場數值模擬過程中脈動人口給定問題。同時用本文所提方法和無脈動人口計算結果進行對比后發現，本文所用方法更能體現山區峽谷風場的真實流態。最后在脈動人口邊界條件基礎上對不同風向角作用下的山區峽谷橋址處風場進行了數值模擬。

1現場實測

1.1工程背景

本文以張花高速澧水大橋所在峽谷為研究背景。橋梁主跨為856 m，屬典型的山區峽谷大跨徑橋梁，橋位所處峽谷谷頂寬420 m，谷頂與谷底高差280 m，橋位布置如圖1所示。

1.2風速監測系統

澧水大橋風速監測系統由觀測站、橋塔站和橋跨站組成。觀測站根據盛行風方向設立在橋址西南側，位于本文數值模擬人口附近，監測站風速儀布置在平坦地區，可認為其風場特性與數值模擬人口接近，其特性可為數值模擬的入口邊界條件取值提供參考，風速監測儀布置高度離地面10 m，如圖2所示。

橋跨站由3個Young 81000三維超聲風速儀組成，布置位置為盛行風方向同側。橋塔站也沿高度布置了3個Young 81000三維超聲風速儀，具體位置如圖1所示（其中星形標識為風速儀安裝位置），風速儀采樣頻率為4 Hz。為了實現風速時程的實時觀測，課題組利用GPRS無線傳輸系統，將現場風速實時數據遠程傳輸至長沙理工大學風速采集中心。

1.3峽谷處風場實測數據分析

為得到峽谷風場特性，通過對2014年8月的風速時程進行分析，得到了觀測站和橋跨站的風玫瑰圖，如圖3所示。

從圖中可以發現8月主導風向為西南風，風向與觀測站風速儀布置方位一致。同時，對橋塔不同高度風速時程進行監測，得到了強風作用下風剖面a值出現次數分布情況，如圖4所示。從圖中可以發現a值呈正態分布，均值為0.3011，綜合考慮澧水大橋橋位地形條件，本文α值取0.3。

為使數值模擬來流風向角與現場實測保持一致，本文風速時程取自2014年8月29日觀測站實測結果，通過對該天的風速取日平均，得到了該天的日平均風速為4.43 m/s，日平均風向角約為180°，風速和風向角時程如圖5所示，湍流強度用公式I_i=σ_i/U（i=x，y，z）進行求解，通過分析風速時程可得模擬當天的日平均湍流強度為20.6%。

對監測站風速進行風譜分析，時間步長采用0.25 s，用Kaimal譜形式進行擬合，結果如圖6所示。

其功率譜擬合公式可表示為：

（1）式中：S_u（n）為順風向功率譜密度函數；n為風的脈動頻率，f=nZ/U（z）；u^*為氣流摩阻系數。

2數值模型與計算參數

2.1模擬區域與網格劃分

幾何模型建立過程中，首先通過空間地理數據云獲得大范圍的地形高程數據，然后用GlobalMapper做進一步處理，從而得到目標區域的地形模型。山體模型采用實際尺寸，計算區域大小取10 km×9 km×4 km，如圖7所示。

為保證計算精度，數值模型采用全六面體網格，網格在近地面進行加密，最底層網格高度為1 m，高度方向在近地面處網格延伸率為1.05，遠離地面網格延伸率為1.15，總網格數為6 752 495，計算網格通過了無關性測試，如圖8所示。

2.2邊界條件與計算參數設置

本文數值模型入口處最低高程為164 m，橋跨站風速儀安裝高度為505 m，橋塔站風速儀安裝高度為620 m，為使峽谷風場人口速度盡量接近現場實測值，本文人口邊界條件包含了平均風和脈動風兩部分，平均風速采用分段函數形式給定，其中，近地面處采用指數率形式。為使風速在峽谷內的變化趨勢接近實際情況，本文指數率變化段高度取836m。平均風剖面的具體表達形式為：當Z≤164 m時，速度為0 m/s；當164 m

V=0 m/s，Z≤164 m；

（2）

V=7.5 m/s，Z≥1000 m。

本文脈動風速是基于諧波合成法合成的，合成過程中功率譜根據觀測站風速時程等效而來，因此，本文所用人口邊界能夠滿足觀測站的風場特性。通過編制UDF程序對商業軟件Fluent進行二次開發，將合成的隨機風速時程賦給數值模型人口所對應的網格坐標，其中順風向功率譜采用公式（1）所述形式，豎向功率譜采用Lumley and Panofsky譜，可表示為：

（3）

（4）式中：S_n（n）為脈動風豎向功率譜密度函數；Z為地面高度；K為無量綱常數，本文取K=0.4；z₀為地表粗糙高度，本文取z₀=1 m；z_d=H—z₀/k，H為周圍建筑物平均高度。

本文在數值模擬過程中，除人口邊界條件采用用戶自定義外，地表采用無滑移邊界條件，頂面采用自由滑移邊界條件，側面采用對稱邊界，出口采用壓力出口邊界。求解方面，本文的N-S方程采用PISO方法進行求解，對流項和擴散項均采用二階中心差分格式，用超松弛方法（SOR）求解壓力Poisson方程，壓力和動量松弛因子分別取0.3和0.7，在滿足柯朗數（CFL）的前提下，時間步長取0.1 s。

2.3監測點布置

數值模擬過程中，在主梁水平方向布置了9個風速監測點，豎向方向在1/2跨，3/5跨，7/10跨處分別布置了20個監測點，監測點具體位置如圖9所示。

3結果驗證

數值模擬考慮了2種工況，工況1為利用本文所提方法作為人口邊界，工況2為不考慮脈動信息入口邊界，2種工況除人口邊界條件不同外，其余邊界條件與計算參數均保持一致。整個過程采用超線程48核工作站進行計算，2種工況的速度云圖如圖10所示。

從圖中可發現，考慮脈動人口的風場計算結果相比無脈動人口情況體現出了明顯的脈動效應。對整體風速而言，兩者在高度方向均能體現梯度效應，但對于局部風速，考慮脈動作用下的風場由于有漩渦的影響，最大值要大于不考慮脈動情況，出現的最大風速為10.1 m/s，而不考慮脈動人口的最大風速為7.7 m/s。

3.1速度時程

對數值模型中橋跨站風速儀和橋塔站風速儀安裝的相同位置進行風速監測，用模擬結果與實測結果的平均值進行對比，其結果存在一些偏差，主要是由于人口邊界條件無法跟實際保持完全一致和復雜地形中樹木等障礙物改變了風場的局部特性。

3.2湍流度

圖11給出了工況1作用下橋址跨中的風速和風向角時程，根據上文中湍流強度剖面的定義計算出來，圖12給出了工況1作用下橋塔站和橋跨站所在位置的湍流度剖面。從圖中可發現近地面脈動情況要遠大于遠離地面處，當高度大于1 000 m后，湍流度值基本趨于穩定，主要原因是當高度大于1 000m時風場沒有受到山體地形影響。為了更好地說明本文所提方法的優越性，將2種工況作用下橋跨站和橋塔站的湍流度與實測值進行對比，見表1。

從表中可發現考慮脈動人口作用下的湍流度要明顯高于不考慮脈動情況，說明不考慮脈動風作用下橋址處風速波動較小，沒有體現出良好的三維紊流特性。相比現場實測數據，考慮脈動信息作用下的模擬結果其吻合程度要明顯優于不考慮脈動情況。但即使考慮了脈動人口邊界，橋塔站和橋跨站湍流度相比現場實測結果還是偏小，主要原因有兩點，一是現場實測風速屬于陣風，離散大，而數值模擬的風場相對實測值更為連續；二是大渦模擬過程中由于亞格子模型和網格尺寸的影響，湍流度會出現耗散現象，因此導致湍流度值偏小。

3.3功率譜及相關性

對不同人口來流作用下橋跨站和橋塔站的風譜模擬值和實測值進行對比，結果如圖13至圖16所示。其中圖13和圖14分別為橋跨站順風向和豎向的功率譜對比圖，圖15和圖16分別為橋塔站順風向和豎向的功率譜對比圖。從圖中可明顯觀察到考慮脈動人口邊界條件模擬的功率譜能量值要明顯大于不考慮脈動情況，且與實測譜吻合更好，特別是在大跨度橋梁抗風中所關注的頻率段（0.1～1 Hz），考慮脈動人口的數值模擬結果與現場實測值基本一致，體現出了本文所提方法的正確性，也證明了本文所用方法能較好地適用于山區大跨度橋梁。在頻率大于1 Hz后，數值模擬的頻率值相對實測結果出現下降，主要原因是數值模擬過程中會出現頻率衰減現象，加密網格和優化大渦模擬亞格子模型會改善此問題。與此同時，本文對橋跨站與橋塔站2點的風速相關性進行了分析，由于橋塔站和橋跨站2點相距600 m，其相關性非常微弱，幾乎可以等效為相互獨立情況。

4脈動入口作用下峽谷風場分析

將2種不同人口邊界條件模擬結果與現場實測結果進行對比發現，不論是在湍流度方面還是在風譜方面，考慮脈動人口邊界情況相比不考慮脈動情況其模擬結果具有較大的優勢。為得到不同風向角作用下峽谷橋址處的詳細風場特性，本文在考慮脈動人口邊界條件的前提下，以橋軸線方向為基準，用7個不同風向角對橋址風場進行了分析，每個風向角相隔20°，如圖17所示，其中x，y代表地形坐標系，x'，y'代表橋軸坐標系。

4.1不同風向角作用下計算結果

圖18給出了不同工況作用下峽谷橋址風場的速度云圖，從圖中可發現，不同風向角作用下橋址處風速具有明顯的差異，在局部區域風速出現負值；在同一風向角作用下隨主梁位置不同風速也有所不同，因此說明了復雜的山體地形對橋址處風場帶來了很大的擾動。

圖19給出了工況1和工況5作用下主梁順橋向、橫橋向和豎向方向的風速分布情況。這2種工況所對應的風攻角與風向角分布情況如圖20所示，從圖中可發現，主梁跨中與端部風速在3個方向上均有所不同。同時，風向角和風攻角也具有明顯的差異，工況1作用下主梁處的風攻角最大值為10.2°，最小值為-9.6°，波動范圍較大，而風攻角又是橋梁風致振動響應中非常重要的參數之一，需引起重視。

4.2不同工況作用下風速放大系數與風剖面分析

圖9中主梁3～7號風速監測點處于主梁結構振動、氣動力較為顯著的部位，對這5點的速度時程進行監測，然后取平均。風速放大效應系數為主梁所在位置的風速與主梁同一高度入口處風速的比值。本文對峽谷風速放大系數和峽谷橫橋方向風速放大系數進行了分析，其中，橫橋方向風速放大系數為風速通過三角分解后換算到主梁橫向上的放大系數，各工況作用下風速放大系數與橫橋方向風速放大系數見表2。從表中可發現，風速放大系數均小于1，因此表明橋址處沒有出現峽谷加速效應，工況1和工況2作用下峽谷風速放大系數較大，主要原因是峽谷走向與來流風向一致，當峽谷走向與來流風向角偏差較大時，風速放大系數明顯減小，因此表明峽谷風速放大效應主要受峽谷走向與來流風向影響。對于橫向風速放大系數，工況4和工況5相對較大，是由于這2個工況下風向角與主梁軸線方向垂直，來流風未被三角分解而直接作用在主梁上，在風速相同時，此類風向角來流風作用在主梁上的風致效應更為明顯，需引起重視。

對大跨度橋梁抗風而言，最為敏感的風速為作用在橋橫向方向的風速。圖21給出了不同風向角作用下橋址3/5跨位置經三角分解后作用在橋橫向方向風速剖面圖。

從圖中可發現，在低于1 200 m時，風速沿高度變化無明顯規律，主要原因是在1 200 m以下時風場受峽谷和山體等障礙物影響，風場紊亂，變化復雜。在高于1200 m時，風速受地形因素影響較小，基本趨于穩定。通過分析發現在工況5作用下，主梁所受橫向風速最大，工況1作用下最小，主要原因是風向與主梁軸線之間夾角所致，從所用工況結果可發現風向與主梁夾角越小，橫橋向風速越小。

5結論

本文通過對澧水大橋所在峽谷風場進行現場實測與數值模擬，得到了以下成果和結論：

1）對澧水大橋橋址上游觀測站進行風場現場實測，得到了觀測站的風場特性，給山區峽谷地形風場數值模擬人口邊界條件的選擇提供了重要依據。

2）利用諧波合成法對橋址上游監測點風特性進行等效處理，基于對商業軟件Fluent進行二次開發，提出了一種能滿足當地實際風場特性的大渦模擬脈動人口邊界給定方法。

3）對橋址處風場分析發現橋址水平方向和豎向方向風速變化差異較大；人口風向與峽谷走向之間夾角是影響峽谷加速效應的主要因素，人口風向和主梁軸線夾角是影響主梁受到橫向風速大小的主要原因。