CFD|渡槽风荷载数值模拟

摘要　

为了探究风荷载对克孜河渡槽结构的影响,考虑到经济成本和时间成本,采用数值模拟进行研究。基于计算流体动力学理论( computational fluid dynamics,CFD) ,利用midas NFX CFD 软件研究克孜河渡槽的风场环境及风荷载响应,模拟不同风攻角条件下风荷载对渡槽的影响,通过与已有的风洞试验结果对比分析,来验证数值模拟结果的可靠性,深入剖析了风攻角变化对渡槽的影响,并采用数值模拟与单因素方差分析相结合的方法,验证了风攻角变化对渡槽三分力系数的影响。计算结果显示风攻角对三分力系数有显著影响,以及数值模拟可以快速高效的模拟出克孜河渡槽周围复杂的风场环境,能直观反映渡槽表面负压区的分布规律,研究成果对渡槽风荷载的结构设计具有一定的参考意义。

关键词

渡槽; 数值模拟; 风荷载; 三分力系数; 单因素方差分析

   克孜河渡槽为新疆喀什噶尔灌区用水的续建配套工程,也属于国家节水技术改造项目的重要组成部分,主要建设在新疆疏附县克孜河南岸干渠上,为沿线人民的生活用水、农田的灌溉提供极大的便利,同时创造极大的经济价值。因此克孜河渡槽的安全对整个输水工程的正常运行起到了至关重要的作用。在新疆地区,气候的变化特别明显,持续作用的大风天气,昼夜温差大,同时在长期冷热风干气候的影响下许多混凝土结构的建筑以及渡槽都已造成一定的损伤。

    计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟的原理,是基于流体力学,通过流体运动方程,机械模拟气流过桥梁结构时,结构扰动周围流场,模拟流体流动的过程,计算周围流场的分布,计算桥梁表面的静载荷。CFD数值模拟是最近几十年发展起来的新的研究方法,用于风工程的研究。伴随着计算机算力的提高和电脑的广泛应用,使CFD 数字仿真技术水平获得了很大的提高,可用于计算流体力学的数值模拟。通常数值模拟的精准性以及可靠程度取决于采用的合适的数学模型和正确的算法。而用CFD数值模拟分析桥梁表面分压分布情况的主要难点在于雷诺数,即就是计算湍流的流量。目前,对湍流的解决方案包括大涡模拟[5] 和雷诺平均法[6] 等,其中以雷诺平均法在工程中应用最广泛。现基于CFD 数值模拟方法的精准快捷以及风场的可视化等优点,对克孜河渡槽在风荷载作用下进行研究,计算三分力系数和分析在不同风攻角下渡槽周围风场的分布情况,并根据数理统计分析不同风攻角对克孜河渡槽截面的三分力系数是否有显著影响。

1.数值模拟概况

1.1工程概况

克孜河渡槽是国家节水技术改造项目的重要组成部分,建设在新疆疏附县克孜河南岸干渠上,该渡槽长度为660m,一共有22跨。克孜河渡槽采用预应力钢筋混凝土结构,其截面形状为矩形,底板、中墙和边墙厚度分别为0.3、0.5、0.4m,底部设有纵向底座,底板下部设有横向底梁,两侧墙外还有肋板,顶板下部设有横梁,渡槽的柱顶采用盖梁,渡槽下部为三根排架柱,而钢筋混凝土承台则用来承载柱,渡槽截面示意图,如图1所示。

该工程建成后不仅能提高当地的灌溉和发电能力,还有效地改善了河道水环境,对当地的经济发展做出了一定贡献。

如图2为克孜河渡槽槽身实例图,渡槽南岸干渠设计引水量Q=87m³/s,加大Q=100m³/s,在总干渠分水闸下游460m处克孜河最窄为650m,左岸岸坡大约70°,右岸大约30°。克孜河渡槽主要由进、出口渐变段、槽身、下部结构、基础等组成。

1.2 数值模拟

  采用midas NFX CFD 软件对克孜河渡槽地区的风场进行数值模拟。

  实验选取其中某跨进行模拟分析,参照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015) 乌鲁 木齐地区一百年重现期内基本风速为39.7m/s, 进行分析[7] 。

  为了研究不同风攻角对克孜河渡槽的影响,设置风攻角范围- 10° ~ 10°,一共取11个角度进行研究,每个角度度数间隔相等,其中0°的风攻角为垂直吹向的模型[8]。

   渡槽数值模拟的计算区域的选择会对结果造成很大影响,进行流体分析时若是选择的计算区域过小,一些流体的现象就无法体现,流体的真实情况就无法体现;若是模拟区域取得过大,会增加许多的网格,对计算机的算力有很高的要求,会增加时间成本[9]。根据Baetke等[10] 研究流体经过壁面的情况,当阻塞率不超过3% 时,边界情况对研究区域的影响就能忽略不计。与桥梁工程在数值分析中所采用的计算域和有关文献对比[11] ,通常CFD流场分析,计算区域的设置为区域高度要为模型高的5倍,模型上游的计算区域要超过模型的5倍高度,模型下游的区域要超过模型的10倍。

2 CFD 流体分析的基本思路与控制方程

2.1 CFD流体分析的基本思路

   CFD基本思路可以总结为:利用流动基本方程(包括质量、动量、能量守恒方程) 来构建在连续物理变量下时空中的代数方程,进而利用计算机的强大算力进行数值计算,以获取这些变量的最优的近似解。这些近似值可以用于模拟流场的速率、压强、温度等重要物理量的影响,及其随时间的变化。应一个离散点,通过使用数值方法来求解流动基本方程, 并在每个离散点上计算出速度、压力等变量的近似值,这样就可以得到流场中速度、压力等变量的分布以及随时间的变化[12]。

CFD分析的基本步骤如下:

(1)确定模拟目标:首先需要确定要模拟的流体和相关的物理场(如流场、温度场、压力场等)。

(2)建立模型:通过建模对象,可以构建相应的数学模型,包括边界状态、流体动力学过程的方程和初始条件等。

(3)建立网格:根据计算模型选择适合的网格数量,有助于模型的求解。

(4)求解方程: 使用数值方法进行求解数学模型。

(5)可视化结果:将计算出的结果进行可视化,用于表示流体的运动、流场、温度场等。

2.2CFD控制方程

   CFD数值模拟的主要对象是主梁周围的流场,将计算的桥梁模型进行简化,将其二维化,流体进行二维化后,将其视为不可压缩,不考虑温度造成的影响,静力计算按常规方法进行计算。计算模型为雷诺时均N-S方程(RANS)和k-ε双方程(湍流动能 k 方程+湍流耗散率 ε 方程)湍流模型[13] 表示为

ε 为湍流动能耗散率;

为流场压力;

为有效黏性系数,

而,表示为运动黏性系数 υ 与湍流黏性系数之和。其中湍流黏性系数表示为 

其他常系数为C1=1. 44、C2=1.92、Cμ=0.09(经验常数)、=1.0(k 的湍流普朗特数)、=1. 3(ε 的湍流普朗特数)。

3计算结果分析

3.1渡槽的三分力系数

   克孜河渡槽在来流风的影响下,克孜河渡槽表面会受到风载方向的一个阻力

、垂直风载方向一个升力和一个扭矩 ,通过数值模拟的计算结果可以得到克孜河渡槽截面的三分力系数[14],计算公式为

式中:

CD为阻力系数;

FD为作用在渡槽模型表面的阻力,kN,与x轴正向同向为正;

CL为升力系数;

FL为作用渡槽模型表面的升力,kN,与y轴正向同向为正;

CM为扭矩系数;

FM为作用在渡槽模型表面的扭矩,kN·m,与逆时针方向同为正;

H 为渡槽的高度,m;

B 为渡槽的长度,m;

ρ=1. 225kN/m³ 为空气密度;

U=39.7m/s为来流的风速。

克孜河渡槽截面三分力系数计算结果如表1所示。

图3所示根据计算结果绘制的随风攻角变化下渡槽克孜河渡槽的三分力系数变化曲线。图3(a)为不同风攻角下渡槽的阻力系数变化曲线,通过曲线关系可以看出,渡槽的阻力系数与风攻角绝对值有正比例关系,当风攻角绝对值增大时阻力系数也在增大,及渡槽所受阻力值也在增大。图3(b)为渡槽的升力系数与风攻角关系曲线,能够观测到,在不同风攻角下克孜河渡槽的升力系数变化规律,当风攻角在- 6°~6°时,随着来流风攻角的增大,克孜河渡槽的升力系数也在逐渐递增,渡槽的最大升力系数,在风攻角8°左右取到最大值,这时渡槽表面承受的风荷载较大。图3(c)为不同风攻角下渡槽的扭矩系数变化曲线,从图中可以看出,伴随着风攻角的增大,扭矩系数的绝对值在逐渐变大。

中国研究学者李遇春等[14],利用风洞试验研究了有关多箱式渡槽在不同风攻角下渡槽的力学特性。

   图4为部分风洞试验结果,是空槽工况下不同风攻角与三分力系数的关系取消。通过对比克孜河渡槽风荷载数值模拟结果,表明阻力系数和扭矩系数与类似渡槽结构的风洞实验规律相似,数值模拟的升力系数因计算时选择的坐标轴方向与风洞试验计算的方向相反,故升力系数变化规律也是一致的,说明了克孜河渡槽风荷载数值模拟的可靠性。与风洞试验相比数值模拟精准快捷以及风场的可视化等优点。

3.2压力分布云图分析

不同风攻角条件下克孜河渡槽的风压分布云图,如图5所示。

图5 渡槽- 10° ~ 10°风压云图

   来流风在受到物体的阻拦后会发生绕流形成漩涡,漩涡产生后会使得周围的压强较低,或者形成负压。如图5所示,克孜河渡槽的迎风面承受正压力,并且风压也最大,由于克孜河渡槽截面为矩形,风在经过其矩形棱角时会绕流,会在克孜河渡槽上表面和下表面形成负压,渡槽的上表面和下表面以及背风面所承受的均为负压,进而产生很大的吸力。当风攻角-10°~0°变化时,渡槽会在下表面和背风面之后形成负压区,并且伴随着风攻角角度的上升,克孜河渡槽下表面的负压区域也会逐渐变小;当风攻角为-8°时,渡槽下表面的负压区域的面积减少, 此时渡槽下表面负压达到峰值为-2. 56kN/m²,而这时迎风面压力为1.17kN/m²;当风攻角在0°~10°变化时,负压区将会在克孜河渡槽的上表面和背风面产生,迎风面逐渐增大;当风攻角为8°时,渡槽上表面负压区压力达到峰值为-2. 80kN/m²,迎风面的压力为1.19kN/m²。

3.3 速度分布云图分析

  克孜河渡槽在不同风攻角情况下的风速分布云图,如图6所示

图6 渡槽-10°~10°风速云图

   根据图6的渡槽风速分布云图,可以看出,在不同风攻角下,克孜河渡槽的风场在渡槽表面速度较小,来流风在渡槽的迎风面的棱角处受阻,来流风的风向发生改变,绕过渡槽的棱角,产生了漩涡,在渡槽表面产生了吸力,形成了负压区。从渡槽的迎风面到背风面,风场的风速逐渐降低,在渡槽的背风面产生很大的尾流区域,并且风速与其他区域相比风速较低,并且在这尾流的区域随着气流的流动过程中,会不断产生涡旋脱落,随着风攻角的改变对背风面后的涡旋脱落有一定的影响,从图6可以看到,风攻角由-10°变为正10°的过程中,涡旋脱落的位置也在逐渐改变,从开始的产生在渡槽上表出,随着风攻角的增大,慢慢地向着渡槽上表面的中后部移动,然后转移到渡槽的尾部,当风攻角变为正且在逐渐增大的过程中,涡旋脱落产生的位置由尾部逐渐向着渡槽下表面向左缓慢移动。当风攻角为-8°左右时,来流风在渡槽的迎风面棱角处最大风速达到64.92m/s, 此时渡槽上表面风速为5m/s左右。由于渡槽迎风面棱角的阻挡,使得渡槽表面的风速不高于20m/s,随着风攻角的变化,对渡槽周围的流场流速的分布有很大的影响。

4 单因素方差分析

4.1有关单因素方差分析的基本步骤

4.1.1首先提出原假设

    检验指标的取值是否与这个影响因子有关,及是检验这个影响因子对指标取值是否有显著作用[15]。提出原假设H0:μ1=μ2 = … =μr ,是指方差分析控制变量的各个观测值变量总体的均值不存在显著差异,及假设影响因素下各个观测值的总体均值相等,表示影响因素的不同水平变化对指标的观测值的变化并不产生显著性影响[16]。

4.1.2计算统计量

式中:

SSA为因子A 的平方和;

SSE为误差E平方和;

r 为因子A 的水平个数;

n 为总观测次数。

4.1.3给出显著水平a,结合计算给出判定

   在观测资料中求出FA的值,再根据给定的显著值a,然后查询 F 分布表,可以得出对应的分位数,将其与样本求出的FA相比,当时拒绝H0:μ1=μ2 = … =μr,这是认为该影响因子对指标的作用显著;否则接受H0:μ1=μ2 = … =μr,认为影响因子对指标的作用不显著。

4.2不同风攻角对渡槽三分力系数的单因素方差分析

   通过CFD数值模拟分析克孜河渡槽截面,计算得出该截面的升力系数,该系数随着时间的变化而波动,但当来流风速稳定作用一段时间后该系数变化趋于稳定,取稳定后不同时间的系数作为观测值,观测数值见表2。

按照单因素方差分析的步骤,对不同风攻角对应的升力系数观测值进行单因素方差分析计算,计算结果见表3。

根据表3 的风攻角为- 10° ~ 10°升力系数方差分析表的计算结果,得到相应的FA 数值,以及对应的概率P。由于概率 P 值趋近于0小于显著性水平a=0. 05 或者=2.30,所以应拒绝原假设H0,认为不同风攻角对克孜河渡槽截面升力系数产生了显著影响。  

     同理取来流风速稳定作用一段时间后该系数变化趋于稳定,取稳定后不同时间的系数作为观测值,观测数值见表4、表5。

   按照单因素方差分析步骤,对不同风速对应的扭矩系数观测值进行单因素方差分析计算,计算结果见表6、表7。

   根据表6 的风攻角为-10°~10°扭矩系数方差分析表的计算结果,得到相应的FA 数值,以及对应的概率P。由于概率P 趋近于0小于显著性水平a=0. 05或者=2.30,所以应拒绝原假设H0,认为不同风攻角对克孜河渡槽截面扭矩系数产生了显著影响。

  根据表7 的风攻角为-10°~10°阻力系数方差分析表的计算结果,得到相应的FA 数值,以及对应的概率P。由于概率P 趋近于0小于显著性水平a=0. 05 或者

=2. 30,所以应拒绝原假设H0,认为不同风攻角对克孜河渡槽截面阻力系数产生了显著影响。

5 结论

本文通过数值模拟对克孜河渡槽风荷载作用进行流体分析,得出以下结论。

(1)来流风作用在渡槽上,会在渡槽的背风面形成负压区,同时根据来风的风攻角的不同,会在渡槽的上表面或者下表面形成负压区。并且当风攻角8°左右时,会在克孜河渡槽的上表面的棱角处形成最大负压区;当风攻角为- 8°左右时,来流风在渡槽的迎风面棱角处最大风速达到64.92m/s。

(2)通过单因素方差分析的计算结果表明,对不同风攻角会对克孜河渡槽截面的三分力系数产生显著影响。

(3)通过对克孜河渡槽的CFD 数值模拟可以求得不同风攻角下的渡槽单元的应力,以及风荷载作用下的应力最大值,为渡槽的安全性研究提供了依据。

参考文献

[1] 谢权. 风在桥梁中的影响及防范[ J]. 城市地理, 2017(6X): 269.

Xie Quan. The influence and prevention of wind in bridge[J]. City Geography, 2017(6X): 269.

[2] 石梓钰, 张翔, 章雯雯, 等. 基于K-ε 模型的某大跨度渡槽桥梁风流数值模拟[J]. 城市道桥与防洪, 2022(12): 100-104,17-18.

Shi Ziyu, Zhang Xiang, Zhang Wenwen. Numerical simulation of wind flow in a long-span aqueduct bridge based on k-ε model[J]. Urban Road and Bridge and Flood Control, 2022 (12): 100-104, 17-18.

[3] 徐梦华, 莫海鸿. 渡槽内流速对其结构动力响应影响的仿真分析[J]. 科学技术与工程, 2010, 10(20): 4973-4977, 4983.

Xu Menghua, Mo Haihong. Simulation analysis of the influence of flow velocity in aqueduct on its structural dynamic response[ J].Science Technology and Engineering, 2010, 10(20): 4973-4977,4983. 　

[4] 张华, 纪爱丽, 徐威, 等. 考虑土-结构相互作用渡槽流固耦合体风振响应分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2015, 46

(5): 1845-1850.Zhang Hua, Ji Aili, Xu Wei. Wind-induced vibration response

analysis of fluid-solid coupling body of aqueduct considering soilstructure

interaction[J]. Journal of Central South University(Natural Science Edition), 2015, 46(5): 1845-1850.

[5] Mahesh K, Constantinescu G, Moin P. A numerical method for large-eddy simulation in complex geometries[J]. Journal of Computational Physics, 2004, 197(1): 215-240.

[6] Fujii K. Progress and future prospects of CFD in aerospace—wind tunnel and beyond[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2005, 41(6): 455-470.

[7] 姚龙龙, 刘清. 基于风速风向联合分布理论的梁桥风荷载分析[J]. 四川建材, 2022, 48(2): 161-163.

Yao Longlong, Liu Qing. Wind load analysis of beam bridge based on wind speed and direction joint distribution theory[J]. Sichuan Building Materials, 2022, 48(2): 161-163.

[8] 刘梦捷, 蒋明敏. 高墩桥梁施工期风荷载数值模拟计算[ J].中国公路, 2021(9): 100-103, 106.

Liu Mengjie, Jiang Mingmin. Numerical simulation of wind load of high pier bridge during construction [ J]. China Highway, 2021(9): 100-103, 106.

[9] 庄智, 余元波, 叶海, 等. 建筑室外风环境CFD 模拟技术研究现状[J]. 建筑科学, 2014, 30(2): 108-114.

Zhuang Zhi, Yu Yuanbo, Ye Hai, et al. Review on CFD simulation technology of wind environment around buildings[J]. Building Science, 2014, 30(2): 108-114.

[10] Baetke F, Werner H, Wengle H. Numerical simulation of turbulent flow over surface-mounted obstacles with sharp edges and corners[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1990, 35: 129-147.

[11] 廖宸锋, 宁杰钧, 骆俊晖. 云南西洋江大桥三分力系数CFD数值模拟研究[J]. 公路, 2022, 67(9): 249-256.

Liao chenfeng, Ning Jiejun, Luo Junhui. CFD numerical simulation of three component Force coefficients of Xi Yang Jiang Bridge in Yunnan Province[J]. Highway, 2022, 67(9): 249-256.

[12] 唐煜, 田野, 景聪, 等. 不同抗风索措施对大跨度三主桁钢桁拱桥最大单悬臂施工状态抖振响应的影响[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(8): 3285-3293.

Tang Yu, Tian Ye, Jing Cong, et al. Influence of different windresistant cable measures on the buffeting response of long-span three-truss steel truss arch bridge under the maximum single cantilever construction state[J]. Science Technology and Engineering,2022, 22(8): 3285-3293.

[13] 谢晓鹏, 王娟, 窦国涛, 等. 钢栈道施工全过程抗风稳定性分析[J]. 科学技术与工程, 2020, 20(24): 10045-10051.

Xie Xiaopeng, Wang Juan, Dou Guotao, et al. Wind-resistant stability analysis of the whole construction process of steel trestle[J].Science Technology and Engineering, 2020, 20 (24 ): 10045-10051. 　

[14] 李遇春, 邸庆霜, 张文杰, 等. 多箱渡槽槽身静风三分力系数风洞试验研究[J]. 水利学报, 2012, 43(6): 691-698.

Li Yuchun, Di Qingshuang, Zhang Wenjie. Wind tunnel test on three-component coefficient of static wind of multi-box aqueduct[J]. Journal of Water Resources, 2012, 43(6): 691-698.

[15] 赵云. SPSS 方差分析在城镇居民消费结构中的实证研究[J].中国商论, 2022(16): 1-5.

Zhao Yun. An empirical study of SPSS variance analysis in the consumption structure of urban residents [ J]. China Journal of Commerce, 2022(16): 1-5.

[16] 胡竹菁, 戴海琦. 方差分析的统计检验力和效果大小的常用方法比较[J]. 心理学探新, 2011, 31(3): 254-259.

Hu Zhujing, Dai Haiqi. Comparison of common methods of statistical test power and effect size for analysis of variance[J]. Psychological Exploration, 2011, 31(3): 254-259.

[17] 李冠宇, 李 鹏, 郭敏, 等. 基于聚类分析法的地质灾害风险评价—以韩城市为例[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(25):10629-10638.

Li Guanyu, Li Peng, Guo Min, et al. Risk assessment of geological disasters based on cluster analysis—taking Hancheng City as an example[J]. Science Technology and Engineering, 2021, 21(25): 10629-10638.

作者

源自

DOI:10. 12404 / j. issn. 1671-1815. 2303260

引用格式:冯成明, 王建新, 朱佳宁. 克孜河渡槽风荷载数值模拟[J]. 科学技术与工程, 2024, 24(15): 6431-6438.