西江特大橋主纜內(nèi)的流體動力學(xué)特征研究

黃晶

摘要：目前，主纜除濕系統(tǒng)設(shè)計中的主纜內(nèi)空氣流動特征分析中對主纜內(nèi)鋼絲粘接阻力系數(shù)及鋼絲間空隙率種類等對空氣流動的影響均未系統(tǒng)研究，對主纜內(nèi)流動的空氣是否能填充主纜內(nèi)部空間，并能形成穩(wěn)定的流速，達(dá)到除濕干燥效果均未進(jìn)行交叉驗證。本文利用CFD仿真軟件建立模型進(jìn)行理論計算與實際工況的數(shù)據(jù)對比，從流體動力學(xué)特征的角度對主纜除濕效果進(jìn)行驗證。

關(guān)鍵詞：主纜除濕;網(wǎng)格密度;工況壓力值;平均流速

本項目針對西江特大橋?qū)嶋H工況，進(jìn)行1：1數(shù)值模型 CFD 模擬研究。通過建立多類型孔隙率1：1數(shù)值模型，由此獲得的主纜內(nèi)粘接阻力及空隙率范圍等關(guān)鍵邊界條件再次進(jìn)行交叉驗證。進(jìn)一步研究主纜內(nèi)流體動力學(xué)特征，同時為后續(xù)類型項目的系統(tǒng)設(shè)計給予工程指導(dǎo)。

1網(wǎng)格無關(guān)性驗證

網(wǎng)格無關(guān)性驗證又稱 Examining Spatial （Grid） Convergence，在 CFD領(lǐng)域中，通常指grid refinement study，即建立從粗到密的多套網(wǎng)格，用來分析CFD結(jié)果在不同網(wǎng)格密度下的結(jié)果變化。

1.1不同密度網(wǎng)格速度分布對比

CFD 模擬結(jié)果的取樣曲線和截平面位置見下圖。為了比較不同密度網(wǎng)格下的模擬結(jié)果精度，首先對AB段中截面直徑上的速度分布進(jìn)行了對比。

由上圖可以看出，網(wǎng)格越密，主纜的邊界層越窄，且主纜的中心區(qū)域的速度越低。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量多于2392740以后，中心區(qū)域的速度幾乎不發(fā)生變化;7635160網(wǎng)格和13073920網(wǎng)格對主纜邊界層的變化相差很小。

1.2不同密度網(wǎng)格壓力分布對比

網(wǎng)格密度越密時，AB 段中截面直徑上的壓力值越低，當(dāng)網(wǎng)格密度大于7635160后，中截面處的壓力變化速度開始顯著降低。同時比較了 AC段中截面上的壓力分布云圖，可以看出該截面上整體壓力分布均勻，不同網(wǎng)格密度間的變化較小，計算結(jié)果都已經(jīng)比較穩(wěn)定。

此外，針對不同網(wǎng)格密度在 A 點(diǎn)入口處縱截面上的壓力分布，可以明顯看出，不同密度的網(wǎng)格在 A點(diǎn)入口附近的壓力分布區(qū)別非常明顯。粗網(wǎng)格在入口處具有一個很大范圍的高壓區(qū)，并且壓力梯度不明顯。而當(dāng)網(wǎng)格密于7635160時，入口處的壓力分布已經(jīng)幾乎沒有變化。

2 CFD 網(wǎng)格模型確定

通過對不同加密網(wǎng)格的流場，壓力場和湍動能的對比，可以明顯發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)小于200萬個時，即40萬個/百米時，網(wǎng)格數(shù)量明顯偏少，很難捕捉一些流體運(yùn)動和壓力場變化的細(xì)節(jié)，從而使模擬結(jié)果失真;當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)處于200萬到700萬之間時，即40萬個/百米到140萬個/百米時，大部分流場和壓力場以及能夠較好的預(yù)測，但在一些局部細(xì)節(jié)依然有一定的誤差;當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)大于760萬時，即152萬個/百米時，除開整體壓降依然會以微小幅度增加外，其余各種流體和壓力場細(xì)節(jié)已經(jīng)能夠良好的捕捉。

因此，在本項目中，當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)高于76萬個時，繼續(xù)加密網(wǎng)格將對模擬精度的影響較少。最終選定總網(wǎng)格數(shù)為7635160個，其最大網(wǎng)格尺度為0.059 m。

2.1工況數(shù)據(jù)與 CFD 數(shù)值對比分析

在本項目中，主纜的檢測點(diǎn)僅位于 A 和 B 處，CFD 模擬針對AB段中 E＼F＼G各處壓力分布。

（1）工況測試數(shù)據(jù)

本項目中，對點(diǎn) A、B、C 進(jìn)行了24小時的連續(xù)壓力檢測，其24小時連續(xù)壓力檢測結(jié)果。測點(diǎn) A、B、C 的工況壓力平均值見表1。

（2）模擬與工況壓力數(shù)據(jù)對比

為了忽略 A 點(diǎn)起始壓力對整體壓降數(shù)據(jù)的影響，壓力模擬驗證中，AB 段中軸線壓降數(shù)據(jù)和工況點(diǎn)的壓降數(shù)據(jù)對比見下表。

模擬和工況壓差值最大 RD在4%左右，而RSD值最大不超過4%。本項目的模擬數(shù)值擬合在壓降預(yù)測方面具有較好的精度。

（3）模擬與理論計算平均速度對比

由于本項目實況中測量主纜內(nèi)密集的鋼絲間的流體流動速度十分困難，將模擬 AB 段的中軸線上的流速與理論值進(jìn)行對比。在模擬設(shè)定中，孔隙率為20.49%，而工況 A 點(diǎn)入口平均流量為83.875 m3/h，主纜截面直徑為0.988 m。則可計算出主纜內(nèi)的無傾斜時的平均流速為0.0743 m/s。而當(dāng)主纜傾斜時，下方的主纜內(nèi)的氣流由于受到重力作用，其平均流速應(yīng)該略大于0.0743 m/s。在接近 A 點(diǎn)的入口段的開始10 m 內(nèi)主纜內(nèi)中軸線速度從0.04 m/s 迅速上升到0.075/s，而當(dāng)距離 A 點(diǎn)超過10 m 之后，主纜內(nèi)中軸線速度開始趨于平穩(wěn)，最后保持在0.078 m/s 左右。這與計算值0.0743 m/s 的相對誤差約為-4.74%

3結(jié)束語

經(jīng)過整體比較，可以看出 CFD 模擬在擬合內(nèi)部平均流速與理論計算主纜內(nèi)部平均流速的相對誤差為-4.74%，低于5%。因而，可以認(rèn)為CFD模擬對于擬合主纜內(nèi)部平均流速具有較好的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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