CFD 技術在橋梁水動力學課程教學中的應用

魏 凱，張必科，胡楷宇，張明金

（西南交通大學 土木工程學院，成都 610031）

隨著國家經濟發展，近年來，我國建設了大量跨越江、海橋梁工程。東海大橋、港珠澳大橋、杭州灣跨海大橋、滬蘇通長江大橋相繼建成通車。與傳統陸地橋梁相比，上述橋梁長期承受水的動力作用，橋梁水動力學成為影響結構設計的關鍵。

橋梁水動力學是水力學的一個重要分支，主要研究水流作用以及波浪作用對橋梁的影響機理。隨著專家學者對橋梁工程研究過程的深化，橋梁水動力學已成為行業研究的熱點課題[1]。蘭雅梅等[2]對橋梁樁柱承臺水動力模型的研究；張家瑞等[3]研究并提出了深水橋墩波浪動力響應概率模型；魏凱等[4]通過試驗研究了跨海橋梁高樁承臺波浪沖擊荷載；王坤[5]研究了海洋深水環境下橋墩基礎沖刷特性；楊熠琳[6]則研究了橋梁群樁基礎的局部沖刷機理。因此，未來的橋梁工程科研和設計人員應該具備相應的橋梁水動力學知識，以適應行業未來的發展。

然而，橋梁水動力學的綜合性較強，主要涉及流體力學、結構動力學、橋梁工程等相關課程。值得注意的是，流體力學的理論部分涉及不少偏微分方程組，比如連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程等。隨著考慮因素的增加，上述非線性偏微分方程組計算得出相應解析解較為困難[7]。在教學方面，該課程具有抽象化特征，需要學生具備較高的數學基礎。為提高學生對該課程的興趣，教師們也在教學實踐中不斷積累經驗，豐富教學方法，將具體的水流和波浪實驗引入課堂。由于具體實驗所需的試驗設備較為復雜、試驗周期較長等原因，不能讓學生在短時間內深刻理解該學科知識。近年來，隨著計算機技術的不斷發展，計算流體力學（CFD）技術不斷完善，國內各大高校相繼將CFD 技術引入課程教學環節。比如，楊戈爾等[8]將CFD 仿真技術引入到生物力學課程教學中；王東屏等[9]實現了計算流體力學與流體力學教學的結合；楊帆等[10]探究了CFD 技術在水泵及水泵站教學中的應用；許萬軍等[11]進行了在汽輪機原理課程教學中引入CFD 技術的教學案例分析。以上研究成果表明，CFD 技術同樣可以較好地促進流體力學領域的教學實踐過程。為此，作者將CFD 技術引入橋梁水動力學的教學中，旨在提高橋梁水動力學課程的教學水平，開拓學生的視野。

一 計算流體力學（CFD）技術簡介

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是一門基于流體力學和數值模擬仿真技術的交叉學科。自20 世紀60 年代以來，計算機數值計算技術的不斷發展，促進了數值分析和理論流體力學的結合。與傳統物理模型試驗相比，CFD 技術具有不少優點，如計算成本低、計算速度快、計算模型不受限制等。近年來，該技術受到不少科研人員的關注。當前，不少商業軟件均具備了CFD 模塊，如ANSYS-Fluent、ANSYS-CFX、STAR-CD、OpenFOAM 等。其中，Fluent、OpenFOAM 在各大高校的教學實踐中應用較廣。目前，計算流體力學（CFD）技術被廣泛應用于土木工程、船舶水利、能源動力、汽車工程和航空航天等諸多領域，尤其在流體計算和傳熱等方面展現出了巨大優勢。眾所周知，流體的運動規律是以三大守恒定律為基礎，即質量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律。這些守恒定律均由不同非線性程度的數學方程組進行表述，傳統的求解方法很難解決一些復雜問題，而計算流體動力學（CFD）技術可以通過計算機數值計算來分析上述方程組。同時，利用豐富的圖像處理工具可以清晰地看出相關規律，進而達到研究流體運動的目的。

二 CFD 技術的教學應用場景

（一）橋梁下部結構波、流作用

近幾年來，隨著國內經濟的不斷發展，海上交通需求不斷增加，國內建成許多跨海大橋。不同于陸地上的橋梁，海上橋梁需要面臨更加復雜的海洋情況，尤其是在波浪和水流的共同作用下，使得橋梁結構受力分析更加困難，給橋梁基礎結構設計、施工和防災減災帶來嚴峻的挑戰[7]。因此，理解并掌握橋梁波、流作用機理和計算方法是橋梁水動力學課程重要教學內容之一。

實驗室中可采用試驗設備測量得到橋梁基礎結構所受波浪作用的力，卻很難生動地向學生展示波浪與基礎相互作用過程中的詳細流場信息。教師僅通過文字描述無法準確地向學生傳達相應知識點，也難以向學生傳授波浪作用下橋梁基礎結構受力的原理。為了讓學生更好地了解波、流作用于橋梁基礎的整個受力過程，可利用CFD 軟件對波浪或水流作用下的橋墩進行仿真模擬，將作用的整個過程通過圖像或視頻呈現于學生面前。下文列舉一實例。

如在CFD 軟件FLOW-3D 中建立一個具有一定長、寬、高的數值水槽，將橋墩模型設置在水槽中央，將水槽左側入口邊界定義為造波邊界，學生可通過在此邊界定義相關的環境參數和波浪參數，生成波浪作用于橋墩基礎，經過軟件計算便可以得到對應的模擬仿真數據。將水槽右側定義為出流邊界，為防止流域的出流邊界產生對波浪的反射，影響橋墩周圍的流場，應在流域出水口處設置阻尼層以減弱反射波的影響。同理，需將水槽其他邊界也進行設置。水槽網格劃分也是CFD 最為核心的步驟之一，在橋墩附近合理加密網格可以得到更加精確的分析數據。此外，還需進行初始條件和輸出數據等設置。在做好準備工作后，即可使用CFD 軟件進行仿真，軟件采用有限差分法將流體力學中的連續性方程和Navier-Stokes方程等控制方程進行離散。利用CFD 軟件計算離散化的控制方程，進而得到整個流場詳細信息的近似解，并將分析后的結果進行可視化的處理。采用CFD 軟件模擬水流和波浪作用于橋墩模型的可視化流場信息圖像如圖1 所示。學生可以通過具有豐富色彩的受力圖以及流場的動畫，再結合教師課程所傳授的理論知識，對橋梁水動力學課程的原理有更深刻的理解和掌握。

圖1 橋墩波、流作用CFD 技術可視化信息圖

（二）水流對基礎的沖刷作用

橋梁基礎沖刷是指在河道中橋墩或者橋臺阻礙水流運動，橋梁基礎附近的流場會發生變化而帶走部分泥沙的現象。基礎沖刷是橋梁破壞的重要因素之一[12]。易仁彥[13]收集了2000—2014 年期間，國內橋梁在設計年限內發生坍塌事故的詳細信息，在106 起橋梁垮塌事故中，由基礎沖刷導致的橋梁破壞事故超過30%。在經濟較發達的東部沿海地區，交通量需求較大，建設有眾多跨越河流的橋梁，但由于國內多數河流中含沙量較大，東部多為平原地勢，水流平緩，泥沙容易堆積為寬廣的覆蓋層。在夏季豐水期，水流增大，橋梁基礎沖刷增強，對橋梁安全極為不利。所以在橋梁水動力課程中，橋梁基礎沖刷是課程教學的另一項重要內容。

傳統教學中，教師在講授到水流造成基礎沖刷的原因時，往往使用文字對基礎附近流場的4 類情況進行描述，如圖2 所示，分別為墩前雍水、馬蹄形漩渦、墩身處向下射流和尾跡渦流[14]。此時學生往往僅停留在水流作用于基礎帶走泥沙的層面，并不能深入地理解流場中水流運動詳細的信息。在遇到不同工況或者不同外形橋墩的情況下，學生僅依靠這個層面的知識，并不能獨立思考解決多變環境下的實際問題，阻礙創新性思考。面對這些問題，可以采用CFD 技術對橋梁基礎附近流域進行數值模擬，分析得到水流運動的詳細信息，用生動的畫面向學生展示，加深學生對知識點的印象。也可以在課堂中采取分組的方式，讓學生上手操作CFD 軟件，對不同形狀橋梁基礎的水流作用進行模擬，分析得到沖刷情況以及流域信息。圖3 為課堂上所演示的橋梁臺階型沉井基礎附近的水流及渦量情況，從圖中流域分析可得水流的運動狀態符合實際情況。CFD 三維仿真技術直觀地展示了流域內部水流的運動情況，對水流沖刷基礎有了清晰的認識，可以讓學生在實踐探索中掌握沖刷的基礎理論。

圖2 基礎附近流場及沖刷示意圖

圖3 基礎沖刷CFD 技術可視化信息圖

三 CFD 技術的教學應用現狀

自改革開放以來，隨著“一帶一路”“粵港澳大灣區”等建設，中國沿海地區和江河流域地區對陸路運輸需求不斷增長，中國橋梁的建設進入了快速發展的新階段[1]。尤其是在港珠澳大橋和楊泗港大橋建成通車之后，國內對深水大跨徑橋梁的研究進入了新的篇章。對于國內大跨徑橋梁的未來發展，橋梁水動力學課程教學顯得尤為重要，它不僅有利于學生對橋梁研究前沿的了解，而且為后續橋梁水動力學發展奠定堅實基礎。目前，橋梁水動力學課程教學正處于發展的初期階段，對于CFD 軟件在教學中的實踐應用，仍存在著些許問題。

（一）CFD 軟件種類繁多

CFD 技術能夠較為準確地模擬水動力作用下橋梁的受力情況，逼真地展示橋梁基礎流域的實驗畫面，增加課程教學中的趣味性，引發學生積極思考，提高學生對橋梁水動力學的學習興趣。但是，目前市面上常用的CFD 軟件種類繁多，選擇什么類型的CFD 軟件應用于教學實踐中，是值得考慮的問題之一。目前，CFD 軟件根據軟件功能可分為通用軟件和專業軟件；根據軟件在CFD 過程中的位置可分為前處理軟件和后處理軟件；根據源代碼是否公開可分為商業軟件和開源軟件，較常使用的商業軟件如ANSYS-Fluent、ANSYS-CFX、FLOW-3D、STAR-CCM+等，開源軟件如Open FOAM、REEF3D等，各有各的特點。Fluent 軟件提供了豐富的湍流模型和多相流模型，能與ANSYS 平臺其他仿真模塊進行多物理場仿真；Open FOAM 軟件中，用戶可以自己進行編譯也可以對源代碼進行修改形成自己的計算軟件；STAR-CCM+軟件不僅可以進行熱、流體分析，還擁有結構應力、噪聲等其他物理場的分析功能。

（二）掌握CFD 分析的難度較大

橋梁水動力學是基于流體力學發展而來的，其課程教學和實踐內容主要沿襲傳統的流體力學教學模式。若引進CFD 的授課教學，由于受限于課時，教師無法在短時間內為學生進行CFD 全面的講解。由于CFD 的使用要求初學者具備一定的計算流體力學的理論知識，且各軟件的上手難度并不小，學生在私底下進行CFD 軟件的自我探索過程中可能會遇到各種各樣的難題，無論在前處理或者后處理模塊，都可能遇到問題，這可能使得教學適得其反，學生失去了學習的興趣。

（三）理論教學與實踐脫節

由于這門課程處于發展初期，當前可供使用的教學資源并不充足。各大高校教學條件存在差異，沒有充足的科研教學經費，試驗設備得不到及時升級，教學的硬件設施已經無法滿足教學任務的需求。在教學過程中，關于水流對橋梁基礎沖刷的過程，只能通過文字和圖片進行描述，學生無法動手實驗，對該知識點的理解過于抽象。由于課堂教學更側重于理論學習，實踐部分相對較弱，理論和實踐不能很好地結合，導致學生對這門課程的學習興致不高，影響學習效果，這種問題普遍存在橋梁水動力學課程教學中。

四 對策與展望

通過對以上三點問題進行分析，可采取如下教學對策。

根據不同的教學目標，選擇不同的CFD 軟件，如：若僅展示像第二節提及的仿真應用，FLOW-3D、Fluent軟件可滿足教學需求；若欲展示海洋中帶有夾角的波流作用，Open FOAM、STAR-CCM+等軟件是最優之選；若更關注于學生的實踐操作感受，FLOW-3D 軟件相較于其他CFD 軟件上手難度較小，在實踐教學選擇上更勝一籌。

針對學生學習CFD 的問題，可由教師根據主要教學算例，制作CFD 軟件使用視頻，通過生動有趣的軟件操作教學過程，用配音的方式將一些基礎理論知識在軟件的操作中對學生進行傳授，并通過后處理生成動畫豐富教學內容，增加學生學習興趣。

增加實踐教學課在課程教學中的比重，用CFD 軟件實踐教學替代復雜的物理試驗實踐，將CFD 技術與課程教學相結合，授課過程中教師進行指導，學生一邊進行CFD 的操作使用，在實踐中學習，增強學生的獨自分析解決問題的能力，也提升了學習的興趣，有利于教學和科研共同發展。

通過結合波、流與基礎相互作用以及水流對基礎沖刷作用的教學應用場景，總結橋梁水動力課程CFD 技術在教學中應用的現狀，分析得出，CFD 技術與橋梁水動力學課程教學有機地結合起來，不僅可以提高教學效率，而且可以增強學生獨立思考能力。同時，不斷豐富橋梁水動力學教學方法，在符合該課程建設未來發展的道路上前進，為國家培養更多橋梁領域的高水平人才。