全風向角下二維切角方形橋塔氣動措施數值模擬

張亮亮 吳蕊恒 倪志軍 吳波

摘 要：采用SST K-ω湍流模型，對二維切角方形橋塔氣動措施進行了全風向角下的CFD數值模擬研究，雷諾數為5×104。分析了添加氣動措施對橋塔氣動力系數、橫風向氣動力頻譜、斯托羅哈數的影響，并與試驗結果進行了對比，二者吻合較好。研究結果表明，風向角α≤25°，升力系數呈下降趨勢，添加翼板會顯著增大橋塔升力系數;α>25°，升力系數呈上升趨勢，添加氣動措施對橋塔升力系數沒有影響。添加氣動措施后橋塔阻力系數會增大，最小阻力系數出現在5°～10°風向角范圍內。不同風向角下的模型渦脫方式不同，包含的渦脫頻率也不同，漩渦脫落不一定是單純的正弦現象。添加氣動措施會減小模型St數，最大St數出現在5°～15°風向角之間。

關鍵詞：切角方形橋塔;湍流模型;氣動措施;氣動特性

中圖分類號：U443.38

文獻標志碼：A? 文章編號：2096-6717（2019）02-0116-06

Abstract：Based on SST K-ω turbulent model， aerodynamic measures of 2D-corner-cutoff square cylinder were simulated under all yaw wind angles， at Re=5×104.The aerodynamic coefficient ， lift frequency spectrum， strouhal number were studied after adding aerodynamic measures，which showed good agreement with other experiment test. The research results show that when wind yaw angle α≤25°，the lift coefficients show a decreasing trend and increase greatly after adding fins;α>25°，The lift coefficients are on the rise and aerodynamic measures cant influence it. Drag coefficient increase after adding aerodynamic measures and the minimum of drag coefficient is at α=5～10°. Different vortex shedding pattern include different vortex-shedding frequency when the wind yaw angle is changing and vortex shedding isnt always simple harmonic wave. St number will diminish after adding aerodynamic measures and the maximum? St number is at α=5°～15°.

Keywords：2D-corner-cutoff square cylinder; turbulent model; aerodynamic measures; aerodynamic behavior

隨著社會經濟的飛速發展，橋梁跨度越來越大，因而橋塔高度也越來越高，在自然風作用下，橋塔越來越容易發生風致振動。尤其是鋼結構橋塔，具有自重輕、阻尼小等特點，在較低風速下可能產生較大振幅，這會嚴重影響橋梁使用壽命和結構安全。因此，有必要對橋塔的氣動措施進行研究。

方形截面是橋塔基本截面之一，以往很多學者＼[1-5＼]詳細研究了方柱模型的氣動力系數、風壓分布規律、斯托羅哈數、尾流特性等。但在很多情況下，方形截面抗風性能不能滿足實際抗風需求。為提高橋塔抗風性能，通常對方形截面做角部處理，Tamura等＼[6-7＼]通過風洞試驗和CFD數值模擬方法研究了方柱切角和圓角處理氣動特性的變化，結果表明，切角和圓角處理使模型尾流變窄，進而減小方柱的阻力系數。王新榮等＼[8＼]對不同圓角和切角處理的方柱進行了風洞試驗，雷諾數Re=1×105～4.8×105，結果表明，切角率≤15%的方柱，氣動特性基本不隨雷諾數而改變。李永樂等＼[9＼]通過風洞試驗方法，對橋塔進行了大縮尺比氣彈模型試驗，研究了不同挖角方式對橋塔渦振及馳振性能的影響，并確定了最優挖角方式。此外，還有學者＼[10-12＼]通過數值模擬或風洞試驗詳細研究了大跨橋梁橋塔的風振性能。

適當的角部處理雖然能改善橋塔抗風性能，但在某些情況下仍不能抑制橋塔風振，這時需要考慮添加其他氣動措施。朱樂東等＼[13＼]采用多孔擾流板擾亂或削弱了橋塔兩側有規律的漩渦脫落，進而顯著減小了杭州之江大橋鋼橋塔的渦振。對于添加氣動措施后的橋塔，周圍流場更加復雜，對橋塔氣動措施的研究，目前多采用風洞試驗的方法。風洞試驗造價高、周期長，而且很難顯示橋塔周圍流場特性。筆者采用CFD數值模擬方法研究了全風向角下切角方形橋塔切角部位增加垂直翼板（fins）和圓弧導流板（curved guided vane）對橋塔氣動力系數、橫風向氣動力頻譜、斯托羅哈數的影響，并與試驗結果進行了對比。

1 控制方程及模型建立

1.1 控制方程

在直角坐標系下，對二維不可壓黏性流體可用雷諾時均N-S方程描述。

式中：ul=ρCuk2/ε為湍流黏性系數;Cu為經驗常數;k和ε分別為湍流動能和耗散率，需要通過求解湍流模型方程來確定。

采用SST k-ω湍流模型，該模型綜合了標準k-ε模型和標準k-ω模型，且比標準k-ω模型有更高的精度和可信度＼[14＼]。