高速鐵路箱梁橋風場數(shù)值模擬分析

楊傳建，謝 嵐，彭樂寧，陳子昂

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高速鐵路箱梁橋風場數(shù)值模擬分析

楊傳建1，謝 嵐2，彭樂寧1，陳子昂1

(1．中南林業(yè)科技大學土木工程學院，長沙 410004；2．長沙學院土木工程學院，長沙 410022)

本文對高速鐵路箱梁橋周圍風場進行了數(shù)值模擬研究，運用高性能集群和CDF軟件分析了不同雷諾數(shù)對高速鐵路橋周圍風壓和流速的影響，并研究了在網(wǎng)格數(shù)、分區(qū)方式分別不同時集群的計算效率．分析結(jié)果表明：當雷諾數(shù)較小時，箱梁周圍風場較穩(wěn)定，隨著雷諾數(shù)增大，底部負壓增大，背風面壓強由零變?yōu)樨搲海邑搲郝龃?，背風面出現(xiàn)回流，箱梁周圍風場逐漸紊亂．對于并行計算，計算時間隨網(wǎng)格數(shù)增加而增加，但并行運算速度增加的趨勢逐漸變?。謪^(qū)方式不同時，每個區(qū)的總網(wǎng)格數(shù)劃分越平均，計算所需要的時間則越短，效率增加．

高速鐵路；風場分析；雷諾數(shù)；并行計算

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，列車的車速也隨之提高，風災成為了鐵路運輸?shù)闹匾獮暮χ?，尤其是山區(qū)風口或強風區(qū)的高速鐵路橋梁，風力對橋梁的干擾會引起巨大的振動，當列車行駛速度較高時，側(cè)向風給列車帶來的風壓容易使列車發(fā)生側(cè)翻、脫軌[1-2]．對于剛度和阻尼較低的橋梁，如跨徑較大的橋梁，風力對大跨徑橋梁的影響極大．在設(shè)計大跨徑橋梁時，風力經(jīng)常作為主要的控制參數(shù)，因此對橋梁周圍的風場模擬和計算非常重要[3]．目前橋梁風場的預測方法主要有：風洞試驗、現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬3種方法，

其中相對于風洞試驗和現(xiàn)場測試的方法，數(shù)值模擬的方法更節(jié)省時間、人力，更容易設(shè)定所需控制參數(shù)[4-5]．因此數(shù)值模擬的方法成為預測的主要方法．

1 基本方程

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

本文以長為32 m、寬為13.4 m、高為3.05 m的雙線單箱梁為例，如圖1所示．利用程序包和高性能集群針對高速鐵路箱梁橋在橫風作用下進行流場分析，再利用Tecplot后處理軟件得出參數(shù)圖形，進行比較分析，將對橋梁周圍的風場有大概的掌握，在實際工程中我們還需對橋梁進行各種風洞實驗，與理論模擬相比較，對薄弱之處加固處理，來提高橋梁的安全性．

圖1 物理模型

2.2 邊界條件

在橋梁周圍的風場中，在箱梁入口處給定橫向的均勻風；對于出口處，風場已經(jīng)充分發(fā)展，因此設(shè)置為自由出口；在本風場中，模擬以頂面與地面為軸對稱模型，故頂面與底面設(shè)置為對稱邊界；在橋梁的壁面都是固定不動的邊界，所以壁面邊界設(shè)置為無滑移的邊界[8-9]．

3 計算結(jié)果及分析

3.1 單箱截面計算結(jié)果及分析

由于液體中粘滯性的存在，實際液體的流動形態(tài)分為有條不紊、彼此不相混摻的層流和液體質(zhì)點作不規(guī)則運動、軌跡曲折、互相混摻的紊流．其決定液體流態(tài)的復合參數(shù)，為雷諾數(shù)．雷諾數(shù)定義為

式中，為流體密度，為運動粘性系數(shù)，為特征速度，為特征長度，其中=1.25，=1.8×105，=13.4 m．當風速變化時，雷諾數(shù)隨之變化，如表1所示．

表1 入口處不同雷諾數(shù)工況

雷諾數(shù)較小時，粘滯力對流場的影響大于慣性，流場中流速的擾動會因粘滯力而衰減，流體流動穩(wěn)定，為層流；反之，若雷諾數(shù)較大時，慣性對流場的影響大于粘滯力，流體流動不穩(wěn)定，流速的微小變化容易發(fā)展、增強，形成紊亂、不規(guī)則的紊流流場．

本文以入口的風速為變量，對橋梁周圍風場進行研究，利用Tecplot軟件后處理功能做出了各種風速下，對應不同雷諾數(shù)的壓力云圖、流線圖．雷諾數(shù)工況如表1所示．

從圖2及表1中可以看出，雷諾數(shù)低于93 000，箱梁周圍風場較穩(wěn)定，最大壓強在入口靠近橋梁截面處，最小壓強處在橋梁截面的底部，隨著雷諾數(shù)增大，底部負壓增大，背風面壓強由0變?yōu)樨搲?，且負壓慢慢增大，箱梁周圍風場逐漸紊亂．

從圖3中可以看出，當雷諾數(shù)為47 000時沒有漩渦，伴隨著風速的增加，雷諾數(shù)逐漸增大背風面產(chǎn)生漩渦，有回流現(xiàn)象，且隨著風速增大回流區(qū)域變大．

4 并行計算效率分析

4.1 不同網(wǎng)格數(shù)時并行計算效率分析

為了比較多塊網(wǎng)格分區(qū)方式(CPU數(shù))對數(shù)值模擬計算結(jié)果的影響，本文以橋梁風場數(shù)值模擬為算例，將模型的網(wǎng)格劃分為14塊．針對不同核數(shù)、不同分區(qū)方式進行并行數(shù)值計算，得到各自所用處理時間，最后進行歸納比較，進行不同并行計算工況下數(shù)值模擬效率分析．如表2、表3所示，研究8個核和10個核，在網(wǎng)格劃分的個數(shù)不同時的計算效率．

圖2 不同風速下的壓力云圖

圖3 不同風速下的流線圖

表2 不同網(wǎng)格數(shù)情況下的加速比和CPU效率(8個核)

網(wǎng)格數(shù)節(jié)點個數(shù)每個節(jié)點核個數(shù)時間單核時間加速效率/% 118 000240:23:550:36:5919.3 344 200240:34:561:17:2027.6 652 300240:50:152:43:3040.7 865 400241:02:454:12:2150.4 1 265 700241:21:326:33:0560.3 1 604 000241:49:279:32:5065.4

從表2、表3以及圖4、圖5可看出，在核數(shù)相同的情況下，網(wǎng)格數(shù)增加，計算時間增加，并行計算效率也慢慢變大，只是其增加的速度越來越小，但仍可通過增加核數(shù)來提高并行效率[10]．

4.2 不同分區(qū)方式時并行計算效率分析

在對模型進行網(wǎng)格劃分時，可根據(jù)所用核數(shù)將模型化為很多個區(qū)來計算，且每個區(qū)的網(wǎng)格數(shù)可以不同，分區(qū)方式不同時，計算機執(zhí)行的總時間也不同，因此我們可對區(qū)域劃分方式進行分析，得到效率最高的方法．如表4、表5所示，分別對2個和4個核進行研究．

表3 不同網(wǎng)格數(shù)情況下的加速比和CPU效率(10個核)

圖4 不同網(wǎng)格數(shù)并行計算時間

圖5 不同網(wǎng)格數(shù)并行計算效率

表4 不同分區(qū)方式對并行計算的影響(2個核)

表5 不同分區(qū)方式對并行計算的影響(4個核)

從表4、表5可知，每個區(qū)網(wǎng)格數(shù)越平均時，計算時間越短，因此分區(qū)時可以盡量將每個區(qū)的網(wǎng)格數(shù)調(diào)整均勻，這樣可以減少計算時間．

5 結(jié)論

本文主要對高速鐵路箱型梁周圍的風場進行了數(shù)值模擬．對入口處采用不同風速進行了風場模擬和并行數(shù)值計算．通過對數(shù)值模擬結(jié)果的計算和分析，得到如下結(jié)論：

(1)當雷諾數(shù)較小時，箱梁周圍風場較穩(wěn)定，隨著雷諾數(shù)增大，底部負壓增大，背風面壓強由零變?yōu)樨搲?，且負壓慢慢增大，背風面出現(xiàn)回流，箱梁周圍風場逐漸紊亂．

(2)當核數(shù)相同，網(wǎng)格數(shù)增加時，計算時間增加，計算效率增加，但并行計算效率增加的速度逐漸變慢．

(3)當網(wǎng)格數(shù)和核數(shù)都相同，分區(qū)方式不同時，每個區(qū)總網(wǎng)格數(shù)分布越均勻，計算時間越短，計算效率提高．

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(責任編校：陳健瓊)

Numerical Simulation Analysis of Wind Field of Box Girder Bridge in High - Speed Railway

YANG Chuanjian1, XIE Lan2, PENG Lening1, CHEN Ziang1

(1. School of Civil Engineering , Central South University of Forestry and Technology, Changsha, Hunan 410000; 2. School of Civil Engineering , Changsha University, Changsha, Hunan 413022, China )

The numerical simulation of the wind field around the high-speed railway box girder bridge is studied. The influence of different Reynolds numbers on the wind pressure and velocity around the high-speed railway bridge is analyzed by high performance cluster and CDF software. The computational efficiency of the cluster is studied when the number of grids and the partitioning methods are different. The results show that when the Reynolds number is less, the wind field around the box girder is more stable. As the Reynolds number increases, the bottom negative pressure increases, the pressure of the leeward surface changes from zero to negative pressure, and the negative pressure increases slowly. Surface appears backflow, the wind around the box girders gradually disorder. For parallel computing, the computation time increases with the number of grids, but the trend of increasing the speed of parallel computing becomes smaller. When the partitioning method is different, the total number of meshes in each area is more average, and the time required for calculation is shorter and the efficiency is increased.

high speed railway; wind field analysis; Reynolds number; parallel computing

U44

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.04.0003

1672–7304(2017)04–0012–05

2017-06-25

國家自然科學基金項目(51478485）；國家林業(yè)局948項目(2014-4-51)

楊傳建(1994-)，男，湖南瀏陽人，碩士，主要從事木混凝土組合梁結(jié)構(gòu)研究. E-mail: 541871729@qq.com