桥梁 CFD 全流程解析｜数值风洞如何精准预测三分力系数？手把手教学案例来了！
01前言
在桥梁工程领域，风荷载始终是影响结构安全的关键因素。传统风洞实验虽能提供可靠数据，但高昂的成本、漫长的周期以及复杂的模型制作流程，往往让中小项目望而却步。随着计算流体力学（CFD）技术的突破，数值风洞正成为桥梁抗风设计的新范式。
02模型介绍
苏通大桥位于江苏省东部的南通市和苏州(常熟)市之间，总长8206m，其中主桥采用 100+100+300+1088+300+100+100=2088m 的双塔双索面钢箱梁斜拉桥。斜拉桥主跨1088m，主塔高度306m，斜拉索的长度580m，均列世界第该桥的主梁立面与断面如图所示，该桥在同济大学土木工程防灾国家重点实验室中进行了抗风性能试验研究，其节段模型缩尺比为1/70,试验测得了攻角为-7°~+7°之间的桥梁静力三分力系数。
苏通大桥主桥立面布置图（单位：m）
苏通大桥主梁断面轮廓图1:1（单位：m）
苏通大桥主梁节段模型测力试验由同济大学土木工程防灾国家重点实验室完成，模型缩尺比为1:70，试验风速12m/s。0°攻角下，主梁断面体轴坐标系下三分力系数如下：
midas NFX 仿真结果误差小于规范要求15%。
03操作流程
0.1 流体域
根据《公路桥梁抗风设计规范》JTG/T3360-01-2018 中的表D.2.1，静气动风洞的流体域范围为：
上游和侧边为5 倍桥梁宽度，下游为20 倍桥梁宽度。
分析流体域几何
0.2 定义材料
在弹出窗口中选择[AIR_25`C]，修改质量密度为1.225 kg/m³，流体粘度为1.784e-05kg/(m*s)，名称修改为AIR_15`C。
0.3 定义单元特性
0.4 划分网格
提前定义网格尺寸，方便网格划分。
局部网格线性梯度加密
局部尺寸加密
2D边界层网格划分
整体网格
0.5 CFD边界
入口风速
桥梁壁面：无滑移
0.6 分析工况
时间步参数
湍流模型
0.7 后处理自定义输出
阻力系数Cd:
2*pfx(wall)/(dn*12^2*((4/70))
升力系数CL:
2*pfy(wall)/(dn*12^2*(41/70))
升力矩系数CM:
-2*pmz(wall)/(dn*12^2*(41/70)^2)
三分力系数定义
规范升力矩系数以顺时针为正，软件坐标系符合右手法则，z 轴正向垂直xy 平面向外 ，故CM 前需添加“-”号。
0.8 提交计算
CPU 数量：根据电脑配置自行输入略小于总核数的数量。
单元精度：混合>减缩>标准，精度越高计算速度越慢。
该配置预计运行时间40min。
CFD控制参数
0.9 分析结果
收敛曲线NORM GRAPH 稳定后若远大于1.00e-003，可能不收敛。注意检查以下几项:
1. 网格节点是否耦合;
2. CFD 边界中壁面是否有遗漏;
3. 入口速度、压力边界单位是否合理等。
分析过程收敛曲线和监控点曲线
速度云图
阻力系数
升力系数
升力矩系数
综上：苏通大桥施工断面的三分力系数约为
阻力系数Cd:0.340
升力系数CL:-0.291
升力矩系数CM:0.0117
---建议选择多种网格尺寸进行划分，验证网格无关性，以缩小误差。
