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原文传递桥梁风效应数值模拟研究

论文题名：	桥梁风效应数值模拟研究
关键词：	桥梁结构;风效应;数值模拟;计算流体动力学方法
摘要：	近年来，随着计算流体力学理论的完善和计算机技术的发展，基于计算流体动力学(CFD)的数值方法迅速成熟，虽然还不能代替风洞试验，但相比于传统的抗风研究方法有其独特的优势，由于该方法设计周期短、试验费用低、承担风险小，流动可视化易于实现等，已经成为研究桥梁风效应问题的一种有效手段。本文即借助计算流体动力学方法对桥梁风效应进行研究。　　(1)以澧水大桥为工程背景，应用SSTk-ω湍流模型，数值模拟不同攻角下主梁断面的三分力系数，提取计算结果与试验值进行对比，给出了主梁断面周围流场的压强与速度分布图并进行分析，进一步验证了CFD能够较为精确的数值模拟主梁断面的三分力系数及具有显示流体流动方面的优越性。　　(2)采用计算流体力学软件FLUENT中的雷诺平均方法(RANS)的SSTk-ω湍流模型求解不可压粘性流体纳维斯托克斯(N-S)方程。将二维矩形柱体简化为质量-弹簧-阻尼系统。网格建立过程中运用“刚性运动区域+动网格区域+静止网格区域”的方法首先对其进行分块，然后将Newmark-β法代码编写入FLUENT的用户自定义函数(UDF)中对结构的振动响应进行求解，结合FLUENT软件中的动网格技术建立了结构涡振数值模拟方法。以宽高比为6的矩形断面为研究对象，对其在不同风速条件下进行绕流和涡振数值模拟，研究结果显示:涡激振动“锁定”区间和涡振响应振幅的数值模拟结果与风洞试验结果吻合良好;表明采用该方法进行具有分离、再附着现象的钝体断面涡激振动是可行的。　　(3)采用欧拉—欧拉体系的两相流理论，将雨滴场作为连续介质场，在流体计算软件FLUENT基础上编写了相应的UDF计算程序，对矩形柱体周围的风雨运动进行三维数值模拟。采用雷诺平均方法得到了在不同雨相粒径、不同风速下的雨相流线图，模型表面的雨滴捕获率、冲击荷载等。采用大涡模拟方法得到顺风向、横风向和扭转向的荷载时程数据和力谱，并与无雨时作对比，发现风驱雨对模型静态荷载影响很小，对动态荷载的影响较大，但平均效应很小。　　与风洞试验相比，用CFD数值模拟方法研究桥梁风效应问题，不需要昂贵的风洞试验设备和测量仪器，也不需模型的制作，并且该方法的可重复性很好，不具有风洞试验周期长、费用高等问题。数值模拟方法可以实现气动选型和对模型的参数识别。
作者：	张学敏
专业：	结构工程
导师：	李秋胜
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文