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原文传递深切峡谷桥址区风特性风洞试验及CFD研究

论文题名：	深切峡谷桥址区风特性风洞试验及CFD研究
关键词：	桥梁工程;强风分布特性;风洞试验;计算流体动力学
摘要：	桥址区风特性是桥梁抗风研究的前提，风参数的不确定性是影响桥梁抗风研究精度最重要的因素。山区大跨度桥梁通常跨越深切峡谷，但目前人们对深切峡谷等复杂地形地貌区强风分布特性的理解还甚浅，复杂地形地貌区风特性研究已成为风工程领域的关键问题和重点研究方向。本文以深切峡谷桥址区风特性为研究目的，围绕桥址区深切峡谷地形的风特性以及大桥主梁与桥塔的风特性，以风洞试验与CFD数值模拟为主要手段，采用必要的理论分析方法并结合现场实测资料来开展研究。　　首先，基于对钝体绕流较为适用的SST k-ω湍流模型，提出了一种平衡大气边界层的数值模拟方法，并证明了在成功实现平衡大气边界层的基础上能有效提高实际绕流场的数值模拟精度，为准确模拟理想峡谷地形的风特性奠定了基础。为研究山区峡谷桥址区地形模型的边界过渡段形式，从理论上推导出一种曲线过渡段，并在实际复杂地形模型中提出采用三维渐变式过渡段。其次，为揭示峡谷地形风特性的普遍性规律，通过风洞试验研究了理想峡谷地形的平均风速、湍流强度、湍流积分尺度及脉动风速谱的分布，分析了不同来流特性与不同来流方向对峡谷中心处风特性的影响。针对峡谷地形风特性的数值模拟中来流边界条件无法准确给定的问题，提出了一种随高度变化的湍动能系数方法;在此基础上，进一步考察了不同峡谷夹角与不同峡谷高度对峡谷中心处风特性的影响。最后，以处于深切峡谷区的龙江大桥为工程背景，建立了以桥址区为中心，直径为15km、缩尺比为1/1000的地形模型，考察了不同来流特性与不同来流方向下大桥主梁与桥塔的风特性，分析了风特性沿桥址区深切峡谷地形的变化规律，探讨了理想峡谷地形风特性的普遍性规律与桥址区实际深切峡谷地形风特性的特殊性规律。　　理想峡谷地形风特性的风洞试验和CFD数值模拟研究表明:峡谷内的气流速度相对于来流的有一定增加，但湍流强度与脉动风速均方差值要小于来流的;峡谷内的低频风谱值要小于来流风谱的，但在高频部分两者较一致;来流湍流能增加峡谷内的风速;当来流方向与峡谷方向的夹角约在10°范围时，峡谷内的风特性变化很小;不同峡谷夹角对峡谷内风特性的影响较大，但不同峡谷高度对其影响较小。桥址区实际深切峡谷地形的风洞试验研究表明:桥址区主梁与桥塔的风特性差异较大;深切峡谷内气流的平均风速、湍流强度及脉动风速均方差值与峡谷外气流的关系与理想峡谷地形的较相似;深切峡谷内或主梁跨中处风谱与边界来流处风谱的关系与理想峡谷地形的基本一致;来流湍流使主梁高度附近的风速增加;当离地高度较低时，不同来流方向对深切峡谷内风特性的影响与理想峡谷地形的较相似，但当离地高度较高时，两者有一定差异。
作者：	胡朋
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	李永乐
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文