Numerical Simulation of Mean Wind Characteristics at Bridge Site in Funnel-Shaped Canyon Terrain
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摘要:
结合某大跨悬索桥所在山区地形,研究了漏斗型峡谷这一特殊构造地形的桥址区平均风特性,为大跨度桥梁在漏斗型峡谷地区的抗风设计提供依据. 首先,建立实际地形的数值模型,并利用Fluent软件对24个不同来流工况进行比较分析;然后,将整体模拟结果与实测结果进行对比,验证数值模拟的合理性;最后,通过模拟结果的对比分析,探讨漏斗型峡谷桥位对风速大小、风攻角、风向角在不同来流方向的影响规律,分析平均风速随攻角分布的特点以及不同位置处的竖向风剖面特性. 研究结果表明:漏斗型峡谷桥址区存在明显峡谷风加速效应;漏斗型地形对桥址区来流的攻角和风向分别表现为弱扰乱性和高导向性,来流攻角和风向分别稳定集中在−5°~0° 和25°~30°;峡谷中风速对攻角变化的敏感性更高.
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关键词:
- 复杂山区地形 /
- 漏斗型峡谷 /
- 平均风特性 /
- 计算流体动力学数值模拟
Abstract:Taking the mountainous terrain of the long-span suspension bridge as a typical example, the mean wind characteristics at bridge site in the mountainous terrain of a funnel-shaped canyon are studied, which provide a basis for the wind resistance design of large-span bridges in the funnel-shaped canyon area. Firstly, a numerical model of the actual terrain is established and 24 cases with different wind directions are analyzed by Fluent. Then, the simulation results are compared with the measured data to verify the resonableness of the numerical simulation. Finally, simulation results are used to explore the influence of the bridge location at the funnel-shaped canyon on mean wind velocity, wind attack angle, wind direction angle in different flow directions, and to analyze the characteristics of wind velocity distribution with different attack angles and vertical wind profiles at different locations. The research results show that there is an obvious canyon wind acceleration effect at the bridge site. The topography of funnel-shaped canyon shows weak disturbance and high directivity to the wind attack angle and wind direction angle in different flow directions at the bridge site in funnel-shaped canyon area, and the wind attack angle and wind direction angle are −5°–0° and 25°–30°, respectively. The wind velocity in the funnel-shaped canyon is more sensitive to the change of the attack angle.
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跨入21世纪,我国大跨桥梁蓬勃发展,桥梁的抗风设计被逐渐重视[1-3]. 特别是对于西部山区而言,由于复杂的地形,难以找到较为统一的规律来描述其地区的风特性. 所以,复杂山区风特性的研究是具有现实意义的[4-5].
风洞试验、现场实测和数值模拟是目前最常见的山区风特性研究方法[6-7]. 与另外两种方法相比,数值模拟可以节约巨大的资源,具有高效全面的特点[8]. 车凯等[9]以实际工程为研究对象,通过数值模拟,研究了高寒地区轨道交通高大厂房有效可行的防风措施. Wang等[10]利用计算流体动力学(CFD)数值模拟的办法,搭建起峡谷桥隧交界处的数值模型并研究了该特殊位置的风场特性. Zhang等[11]以实际桥址地形为背景,利用数值模拟,研究了考虑热效应的桥址区风特性. Chen等[12]采用改进的边界过渡段进行了地形数值风洞实验,研究了地形桥址区的风特征. 沈炼等[13]和Hu等[14]通过生成了一种可以用于大涡模拟的入口边界输入信息,对功率谱、相关性等考虑风场的脉动特性进行模拟. 吴广[15]利用软件拟合了桥址区的地形表面,采用数值模拟的方法,分析了不同风向角下桥址区的平均风特性.
然而,针对一些具有特殊地形构造的山区风特性的研究则相对较少. 李永乐等[4,6]对紧邻高陡山体以及山区河口的桥址区的特殊地形的平均风特性进行了数值模拟. 本文则结合实际的山区大跨桥梁工程,研究具有漏斗型峡谷这一特殊构造的山区地形桥址区的平均风特性,为特殊构造下地形桥址区的桥梁抗风设计提供一定的参考.
1. 地形数值模型
漏斗型峡谷即指峡谷横截面逐渐变小的形如漏斗的特殊峡谷. 本文以某山区悬索桥桥址区地形为研究对象,以桥位为中心,选取25 km × 25 km范围的地形,并将地形信息导入MATLAB中,生成地形高程数据点,如图1所示. 可以看出,地形南北两侧为高耸山体,西侧为漏斗型峡谷,东侧则为常规峡谷.
将高程数据点导入Gambit,建立计算域,划分网格,如图2所示. 计算区域下边界以地形为壁面,最低海拔3045 m,最高海拔5400 m,平均海拔4239 m;由于地形起伏较大,为降低阻塞率和利于流场的发展,顶部高程取15000 m. 整个计算模型采用四面体非结构化网格离散. 此外,受计算资源限制,为提高计算效率和准确性,加大计算域空间的贴近地形壁面处的网格密度,边界层网格高度为10 m,网格尺寸增长率为1.1,共划分的网格总数约500万个.
2. 计算参数与边界条件设置
将所建立的地形数值模型导入Fluent软件,基于有限体积法对流场进行离散化求解;选用压力与速度耦合的SIMPLE算法以及不可压缩及低速流动的全隐式分离求解器;本文着重研究平均风特性,所以选用SST k-
ω 湍流模型(其中:k为湍动能;ω 为耗散率). 采用定常计算,空气密度考虑为1.225 kg/m3. 势能、湍动能以及特定耗散率选用二阶精度.计算域下表面为壁面(wall)边界,上表面为对称边界,出口边界设置为压力出口,计算入口为速度入口. 计算入口采用B类地表对应的风速剖面,由于该地形起伏较大,可以认为当高度达到地形最高点时即达到了梯度风高度. 所以边界层高度取5400 m,梯度风高度取2355 m,来流为均匀流. 此外,本文旨在研究风场特性规律,而不是要得到风参数大小,故梯度风大小假设为50 m/s. 采用自定义函数(UDF)实现入口风速的输入,入口处风速同式(1)所示,风速随高度变化如图3所示. 桥面高度为3706 m,桥面高度处的入口风速为40.65 m/s.
V={50,H>5400m,50(H−30452355)0.16,5400m⩾ (1) 式中:
V 为入口处风速,m/s;H为海拔高度,m.3. 计算结果与分析
3.1 测点、工况设置与对比分析方法
测点布置如图4所示. 为得到主梁高度处的风场特点,沿主梁轴向1/4、3/8、1/2、5/8、3/4跨处布置了5个监测点;为得到竖向的平均风场特点,在主跨1/2处以及东西两岸桥塔处的竖直方向设置了一系列监测点.
如图5所示,本研究共设置24个计算工况,每一个计算工况代表了一个来流方向. 从东偏南35.75°方向(工况1,垂直于桥轴线)开始,逆时针每15° 为一个计算工况. 为便于后续对比分析,将这24个工况分为3类,如表1所示.
表 1 工况类别划分Table 1. Case classification工况类型 类型描述 工况 Ⅰ 从西往东反向吹向桥位 1~6 Ⅱ 南北向来流受到山体的阻挡 7~12、19~24 Ⅲ 从东往西吹向漏斗型峡谷 13~18 值得说明的是,Ⅰ类工况下气流从东吹向西,由于地形右侧的峡谷只是常规的峡谷,故在该类工况下得到的桥位处的风特性展现的是常规峡谷的特点,将其与Ⅲ类工况下得到的结果进行对比,进而可以更好地说明漏斗型峡谷的平均风特性特点.
3.2 主梁平均风速特性及实测验证
数值模拟不同来流方向下主梁高度的平均风速分布玫瑰图如图6所示. Ⅲ类工况风速最大、Ⅰ类次之、Ⅱ类最小. 山体阻挡了来流,这是导致Ⅱ类风速最小的原因. Ⅰ、Ⅲ类工况下,由于来流方向下有峡谷,气流受山体的阻碍相对减小,故风速较大.
表2列举了风速大于35 m/s的6个工况情况,其中,Ⅲ类5个、Ⅰ类1个. 此外,从这6个大风速工况的风速放大系数来看,5个Ⅲ类工况中有4个的风速放大系数大于1.00,存在峡谷风加速效应,最大风速放大系数为1.12;而Ⅰ类工况中的风速放大系数为0.96.
表 2 大风速工况Table 2. Cases at high wind velocity工况 工况类型 风速大小/(m·s−1) 放大系数 3 Ⅰ 38.87 0.96 13 Ⅲ 39.25 0.97 14 Ⅲ 44.68 1.10 15 Ⅲ 44.67 1.10 16 Ⅲ 45.66 1.12 17 Ⅲ 41.75 1.03 注:风速放大系数为主梁桥面处的平均风速大小与入口处桥面高度风速大小的比值. 图7是工况14来流沿漏斗型峡谷的桥位高度风速分布情况,可以明显地看出,漏斗型峡谷内部风速比漏斗口的风速要大,这反映了漏斗型峡谷的加速效应.
通过现场实测结果来验证数值模拟的合理性. 图8为桥位处629 d的日平均最大风速的风向分布情况. 实测结果显示,风向主要集中在峡谷方向,且漏斗型峡谷的风向分布范围要比东侧常规峡谷的广. 这与图6的结果一致,间接说明了数值模拟具有一定的普适性.
通过数值和实测的结果不难发现,常规峡谷的大风速工况数量远少于漏斗型峡谷的. 造成上述现象的原因是当气流吹进漏斗型峡谷时,会受到峡谷两岸山体的挤压与收缩作用,导致流速逐渐加快. 而常规的峡谷没有漏斗型峡谷那样的特殊构造,只有在与峡谷走向基本一致时,气流才能吹进峡谷内. 故漏斗峡谷较常规峡谷而言,会出现更多的大风速情况和明显的峡谷风加速效应.
3.3 主梁平均风攻角、风向角特性
图9展示了不同来流方向下主梁平均风攻角玫瑰图. 由图可以看出,主梁高度的平均风攻角特性也与工况的类别有关. 在Ⅰ、Ⅲ类工况,主梁平均风攻角随来流方向变化波动不大,主要集中在 −5°~0°;而在Ⅱ类工况中,主梁平均风攻角在一个很大的范围剧烈波动.
这是由于在Ⅱ类工况下,来流受到山体的强烈扰动,使得风攻角起伏不稳定,这样的规律在文献[6]、[7]中也得到了类似的验证;而在Ⅰ、Ⅲ类工况下,来流可以沿峡谷吹向桥址区,气体受山体的阻挡小,故风攻角较小且波动起伏不大,同时这也说明了漏斗型峡谷对来流的扰动较弱.
图10展示的是各类工况下的入口风向角和桥位风向角,其中,入口风向角指的是入口边界输入的来流风向,桥位风向角指的是气流经过地形扰动后在桥位处的风向角度. 对比入口风向和桥位处风向,可以清晰地看出地形对风向的导向作用.
首先,对比入口风向角、桥位风向角随着来流方向的分布曲线,可以明显看出,Ⅱ类工况下二者差异最大,不存在两条分布曲线相交的情况. 这说明气流经过山体时,桥位风向与来流风向并不一致,山体对桥位处的风向存在巨大的影响,气流的走向会被山体打乱. 在这种来流受高山阻碍的情况下风向的可预测性不强. 其次,对比不同类型工况下的桥位处风向角,可以得出,Ⅱ类工况的风向角波动最大,Ⅰ类次之,Ⅲ类最小,风向角基本维持在25°~30°,其波动的范围很小. 这说明漏斗型峡谷对桥位处的风向有较好的锁定效应.
3.4 横桥向平均风速与风攻角分布特性
图11为各类型工况下横桥向平均风速随风攻角的分布特点. 横桥向风速是垂直于桥轴线方向的风速分量,是引起桥梁风致振动的主要风速分量. 可以明显看出,这3类工况下的风速随攻角的分布曲线分别处在图的上、中、下三层:上层为Ⅲ类,其分布特点为攻角集中在 −5°~0°,且风速最大;中层主要为Ⅰ类工况,其攻角集中,风速也较大;最下层为Ⅱ类工况,攻角范围大,而风速却较小.
这是由于攻角较大时,风速主要体现在竖向,在横桥向的分量就很小. 但是当将攻角作为自变量,风速作为因变量时,风速会随着攻角的微小改变而发生巨大的变化,这说明风速变化对攻角变化的敏感性. 特别是Ⅰ类工况的曲线尤为陡峭,这表示漏斗型峡谷中的风速对攻角变化的敏感性更高.
3.5 竖向风剖面特性
对于高空层,气流由于基本不受地形影响,风速大小基本不变. 而本文更关心峰峦层内桥面高度附近的风剖面特点,所以所取的风剖面也在峰峦层内. 为分析漏斗型峡谷竖向风剖面特性,选择3个典型工况(吹向常规峡谷的Ⅰ类工况3、来流受山体阻碍的Ⅱ类工况10、吹向漏斗型峡谷的Ⅲ类工况16)下的主梁跨中风剖面、左岸桥塔风剖面及右岸桥塔风剖面与速度入口输入的风剖面进行对比,见图12. 从图可知,不同来流工况下,不同位置处风剖面形状并不统一,难以用统一的规律进行描述. 这也与文献[6]的结论较为一致.
但是,在桥面高度附近,不同位置处风剖面风速大小从大到小出现如下的排布规律:Ⅲ类工况风速最大,这是由于漏斗型峡谷中存在峡谷风加速效应,这点已经在3.2节阐述了;Ⅰ类工况风速次之,这是由于常规峡谷中不容易出现峡谷加速效应;Ⅱ类工况风速最小,而这是因为气流受到了山体的阻碍. 此外,通过与图10的对比可以发现,在桥面高度至海拔4100 m这一高度区间,漏斗型峡谷内的风速是随着高度逐渐增加的. 而当高度突破4100 m以上后,风速不仅不再增加,甚至还会随着高度的增加而变小. 出现这样的情况的原因是,随着高度达到一定程度后,气流就不再受到漏斗型峡谷两侧山体的挤压作用,此时就会出现风速减小的现象. 所以,本文将海拔4100 m这一高度定义为该桥址区漏斗型峡谷的峡谷加速效应高度.
3.6 复合风速标准
由于漏斗型峡谷的特殊构造,气流会被峡谷逐步锁定在沿峡谷流动,从而容易形成较大风速的情况,导致桥梁设计基准风速更大,给大跨度桥梁的抗风设计增加一定的挑战. 基于此,建议类似地区在确定桥梁设计风速标准时需要考虑风速、风向、风攻角等相关风参数的联合分布,不能再仅仅单一以风速标准来确定,图13为该桥考虑来流影响和风攻角变化的复合风速标准.
4. 结 论
1) 漏斗型峡谷对桥位处平均风速大小的影响主要表现在两个方面:漏斗型峡谷两侧山体会挤压峡谷内气流,存在明显的峡谷风加速效应,会形成较多的大风速工况. 此外,峡谷口的平均海拔高度是漏斗型峡谷的加速效应高度,在此高度以上风速随着高度的增加反而减小.
2) 漏斗型峡谷对桥址区来流风向表现为弱扰乱性和高导向性. 桥址区风攻角和其他山区桥梁类似,以负攻角为主.
3) 较常规峡谷而言,漏斗型峡谷中的风速对攻角变化的敏感性更高. 桥址区的风速随风攻角变化呈反向变化,风速越大攻角越小.
本文仅以一个典型漏斗型峡谷桥址区为例开展了相关分析,后续需要在类似工程中开展更多的验证工作,以期进一步验证本研究结论的普适性.
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表 1 工况类别划分
Table 1. Case classification
工况类型 类型描述 工况 Ⅰ 从西往东反向吹向桥位 1~6 Ⅱ 南北向来流受到山体的阻挡 7~12、19~24 Ⅲ 从东往西吹向漏斗型峡谷 13~18 表 2 大风速工况
Table 2. Cases at high wind velocity
工况 工况类型 风速大小/(m·s−1) 放大系数 3 Ⅰ 38.87 0.96 13 Ⅲ 39.25 0.97 14 Ⅲ 44.68 1.10 15 Ⅲ 44.67 1.10 16 Ⅲ 45.66 1.12 17 Ⅲ 41.75 1.03 注:风速放大系数为主梁桥面处的平均风速大小与入口处桥面高度风速大小的比值. -
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