范例10cfd橋梁的二維cfd分析

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1、?實(shí)際工程1.分析目的通過(guò)對(duì)橋梁截面的二維流體動(dòng)力分析(CFD，ComputationalFluidDynamics)，分析橋梁截面對(duì)氣流的響應(yīng)，從而保證橋梁的抗風(fēng)安全性。2.分析方法2.1基本事項(xiàng)假設(shè)氣流是非定常流(非穩(wěn)定流)、不可壓縮流、是具有一定特性的流體。支配方程使用了不可壓縮流體的連續(xù)方程式和運(yùn)動(dòng)方程式(Navier-Stokes方程式)。數(shù)值分析中使用的邊界條件和特性值如下。(1)流動(dòng)入口：U=10m/s(均勻分布的層流)(2)流動(dòng)出口：壓力不變(3)上下面：滑移條件(slipcondition)(4)橋梁壁面：粘結(jié)條件(nosli

2、pcondition)(5)采用流體：空氣(密度=1.225kg/?,粘度=1.7894×10-05kgm-1s-1)(6)數(shù)值模型:midasFEA[midasFEA二維橋梁截面CFD分析網(wǎng)格][網(wǎng)格細(xì)分狀況]2.2湍流模型湍流模型采用Smagorinsky(1963)提出的大渦模擬(LES，LargeEddySimulation)模型。因?yàn)樵跇蛄航遣亢推渌恢脮?huì)形成各種渦流，即使接近流的流動(dòng)條件相同，風(fēng)力的振動(dòng)也會(huì)非常復(fù)雜。為了分析渦流的動(dòng)力特性，采用了可以推測(cè)湍流隨時(shí)間變化的LES模型。LES模型與雷諾平均湍流模型(ReynoldsAve

3、rageModel)相比，在計(jì)算流線變化比較大的截面時(shí)，如橋梁截面(鈍體，bluntbody)的周邊湍流流動(dòng)場(chǎng)時(shí)，計(jì)算結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確一些。3.分析結(jié)果3.1渦流振動(dòng)的頻譜分析1)氣動(dòng)力系數(shù)(1)為了確定渦流振動(dòng)的發(fā)生狀況以及振動(dòng)頻率，需要定義橋梁表面上的阻力系數(shù)(CD，DragCoefficient)和升力系數(shù)(CL，LiftCoefficient)。在此，F(xiàn)x和Fy分別為阻力和升力，LV和LH分別是與流動(dòng)方向垂直的橋梁截面的長(zhǎng)度即梁高和與流動(dòng)方向平行的長(zhǎng)度即梁寬(Lv=3.9m，LH=25.6m)。ρ是密度(=1.225kg/m3)，U是接近流

4、的風(fēng)速(=10m/s)。(2)如下圖所示，阻力系數(shù)和升力系數(shù)的時(shí)間變化歷程雖然比較復(fù)雜，但是在特定的周期下在做有規(guī)則性的振動(dòng)。在計(jì)算阻力系數(shù)和升力系數(shù)的時(shí)間平均值時(shí)，可將前10秒忽略，將其視為氣動(dòng)力在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前的狀態(tài)。阻力系數(shù)和升力系數(shù)的時(shí)間平均值如下：阻力系數(shù)(CD)：0.820升力系數(shù)(CL)：-0.170本例題中采用的是實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)的模型，程序計(jì)算得到的阻力系數(shù)和升力系數(shù)與試驗(yàn)得到的阻力系數(shù)(0.848)和升力系數(shù)(-0.151)相比，誤差很小。[橋梁截面的阻力系數(shù)][橋梁截面的升力系數(shù)]3.2壓力分布作用在橋梁截面上的阻力和升力的大

5、小以及振動(dòng)特性與橋梁周邊的壓力分布相關(guān)。下圖是橋梁周邊的壓力場(chǎng)從80秒到88秒按1.0秒間隔的變化圖(部分)?？梢钥闯鰷u流(壓力較小的部分，在圖中用綠色表示)發(fā)生在橋梁截面的迎風(fēng)面的上下角，并隨著氣流的流動(dòng)按大致相同的間距釋放著脫落。持續(xù)產(chǎn)生大規(guī)模渦流的位置在迎風(fēng)面的上下端角部。也就是說(shuō)對(duì)橋梁整體(二維截面)的升力和阻力特性最敏感的是角部的形狀。在橋梁迎風(fēng)面上下端角部發(fā)生的渦流的大小和脫落周期雖然具有一定的規(guī)則性，但是相互關(guān)聯(lián)并不明顯。在上下角部發(fā)生的渦流將影響橋梁整體的升力和阻力。與橋梁截面前端的較高壓力分布區(qū)域(紅色)具有一定連續(xù)性的特性相

6、反，在截面的上下端產(chǎn)生的低壓力分布的渦流具有形成-增長(zhǎng)-脫落的周期性特性。在橋梁截面的尾流區(qū)域釋放的渦流間距大致相同，這是因?yàn)闇u流周期比較固定以及接近流的風(fēng)速?zèng)]有變化的原因。在下游隨氣流移動(dòng)的渦流的大小雖然不相同，但是形狀相似。壓力場(chǎng)中的渦流形狀一般成圓形。[隨時(shí)間變化的壓力場(chǎng)分布]3.3渦度和速度分布與壓力分布相同，下圖顯示的是從80秒到88秒之間以1.0秒為間隔的橋梁截面周邊的渦度分布的連續(xù)變化。在橋梁尾部顯示出渦流(vortex)周期性的增長(zhǎng)和脫落，橋梁上部的壓力增加造成橋梁產(chǎn)生負(fù)的升力。渦流的大小在流動(dòng)上游的停滯區(qū)域、橋梁上下部形狀變化

7、位置、橋梁的下游結(jié)束位置最大。這種現(xiàn)象是由形狀阻力造成的流動(dòng)的剝離引起的，在上下端生成的正負(fù)渦度形成圓形渦流(vortex)并形成尾流。符號(hào)相反的渦流在結(jié)構(gòu)物的后面形成長(zhǎng)長(zhǎng)的卡門(mén)渦街(Karmanvortexstreet)。[隨時(shí)間變化的渦度分布的變化][特定時(shí)間的速度分布]?驗(yàn)證例題1.驗(yàn)證概要本驗(yàn)證例題為midasFEA的計(jì)算流體分析例題。本例題由簡(jiǎn)單形狀的圓柱體問(wèn)題和兩個(gè)任意橋梁截面的共三個(gè)問(wèn)題組成。圓柱體問(wèn)題介紹的是層流(laminar)在雷諾數(shù)Re>40時(shí)發(fā)生非定常流動(dòng)。非定常流動(dòng)是流動(dòng)的剝離引起渦流(vortex)脫落造成的，驗(yàn)證例

8、題將對(duì)程序和文獻(xiàn)中的渦流脫落頻率和氣動(dòng)力系數(shù)的振幅數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。橋梁截面的流動(dòng)分析中使用了湍流模型，在橋梁的兩端或者上部附屬結(jié)構(gòu)上發(fā)生的渦流會(huì)造成氣動(dòng)