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基于FLUENT的大跨度双幅桥面桥梁气动干扰性能研究

作　者: 周帅
导　师: 刘志文
学　校: 湖南大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 大跨度双幅桥面桥梁三分力系数涡激振动气动干扰效应数值模拟
分类号: U441.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

为了增加桥梁结构的车辆通行能力,通常可以将桥梁设计为双层桥面或平行彼此分离的双幅桥面桥梁。本文主要针对后者双幅桥面桥梁的气动干扰效应进行研究。在工程实践中,双幅桥面桥梁主要有以下两大类：1)桥梁新建时将主梁设计成平行且相互独立分离的两幅桥；2)由于若干年后在已建桥梁附近再修建一座与其平行的桥梁而形成的双幅桥。这两类桥,由于主梁距离较近,在气流作用下,上游桥面与下游桥面之间存在一定的相互影响,如上下游桥面气动干扰所引起的双幅桥面主梁涡激共振、颤振稳定性、抖振响应及上下游桥面风荷载等都与单幅主梁断面存在一定的差异,我们把这些影响称为双幅桥面的“气动干扰效应”。随着桥梁跨度的增加,双幅桥面桥梁主梁之间的气动干扰将不容忽视,是这类桥梁抗风设计最为关注的问题之一。本文以国家自然科学基金资助项目(50608030)为依托,采用大型计算流体力学商业软件Fluent对大跨度双幅桥面桥梁气动干扰效应进行了数值模拟研究,重点研究了三类典型断面(矩形断面、∏形断面及流线型断面)三分力系数随双幅断面之间间距的变化规律以及串列双幅断面涡激振动的气动干扰效应。论文主要内容如下：(1)首先采用k-ωSST紊流模型对单幅固定矩形断面进行绕流数值模拟,并将数值模拟结果与单矩形断面风洞试验结果进行比较,以检验本文数值模拟方法的精度；其次,在此基础上对单幅∏形断面、单幅流线型断面的三分力系数及St数进行数值模拟。最后引入干扰因子概念针对三类典型断面(矩形断面、∏形断面及流线型断面),改变串列双幅断面的间距,研究上、下游断面三分力系数的气动干扰效应随间距的变化规律。(2)采用计算流体力学软件Fluent中的k-ωSST湍流模型求解不可压缩粘性流体N-S方程,采用“刚性运动区域+动网格区域+静止网格区域”的分块方法建立计算网格,将Newmark-β法代码嵌入Fluent UDF(用户自定义函数)中以求解结构振动响应,并结合动网格技术建立了钝体结构涡激振动数值模拟方法,并针对宽高比分别为B／H=4、5的矩形断面进行了不同风速条件下的涡激振动数值模拟,数值模拟结果与试验结果吻合良好。(3)采用本文第四章建立的钝体结构涡激振动数值模拟方法,对间距比分别为D／B=0.5、1.0时串列双幅矩形断面的涡激振动响应气动干扰效应进行了数值模拟；并将数值模拟结果与风洞试验结果进行了比较。总体来说,双幅断面的起振风速被稍微滞后,但是由于近距离的相互干扰效应双幅断面工况下的振幅却加大了,这一数值结果同实验结果是相吻合的,表明了双幅断面的干扰效应的影响,在此间距比下不可忽略。(4)结论与展望,对本文所取得的研究成果进行了简要总结,并对本文的研究不足进行了说明,对今后研究的重点给出了建议。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-22
  1.1 本文研究背景  12-15
  1.2 气动干扰效应的研究现状  15-21
    1.2.1 串列圆(方)柱的气动干扰研究  15-17
    1.2.2 高层建筑群的气动干扰研究现状  17-19
    1.2.3 大跨度双幅桥面桥梁的气动干扰研究现状  19-21
  1.3 本文研究内容  21-22
第2章计算流体动力学基础与FLUENT软件介绍  22-39
  2.1 流体动力学控制方程  22-24
  2.2 常用数值方法  24-26
    2.2.1 有限差分法  24-25
    2.2.2 有限元法  25
    2.2.3 边界元法  25
    2.2.4 有限体积法  25-26
    2.2.5 其他方法  26
  2.3 湍流模型  26-30
    2.3.1 湍流模型控制方程  27
    2.3.2 湍流的数值模拟方法  27-28
    2.3.3 常用的湍流模型介绍  28-30
  2.4 不可压流场的计算方法  30-32
    2.4.1 SIMPLE算法  31
    2.4.2 SIMPLER、SIMPLEC算法  31-32
    2.4.3 PISO算法  32
  2.5 FLUENT软件介绍  32-36
    2.5.1 FLUENT结构  33
    2.5.2 UDF概述  33-35
    2.5.3 与动网格方法相关的宏命令  35-36
  2.6 Fluent在相关研究中的应用  36-37
  2.7 小结  37-39
第3章串列双幅断面三分力系数与St数气动干扰数值模拟  39-106
  3.1 单幅断面三分力系数及St数数值模拟  39-49
    3.1.1 单幅矩形断面三分力系数数值模拟  39-42
    3.1.2 单幅∏型断面三分力系数数值模拟  42-46
    3.1.3 单幅流线型断面三分力系数数值模拟  46-49
  3.2 串列双幅矩形断面三分力系数及St数气动干扰数值模拟  49-69
    3.2.1 计算工况及网格划分  49-52
    3.2.2 串列双矩形断面三分力系数数值模拟结果  52-61
    3.2.3 串列双矩形断面斯托罗哈数数值模拟结果  61-65
    3.2.4 串列双矩形断面三分力系数数值模拟结果与试验结果  65-69
  3.3 串列双幅∏形断面三分力系数及St数气动干扰数值模拟  69-83
    3.3.1 计算工况及网格划分  69-71
    3.3.2 串列双∏形断面三分力系数数值模拟结果  71-78
    3.3.3 串列双∏形断面斯托罗哈数数值模拟结果  78-83
  3.4 串列双幅流线型断面三分力系数及St数气动干扰数值模拟  83-96
    3.4.1 计算工况及网格划分  83-86
    3.4.2 串列双流线型断面三分力系数数值模拟结果  86-92
    3.4.3 串列双流线型断面斯脱罗哈数数值模拟结果  92-96
  3.5 串列双幅断面三分力系数气动干扰规律  96-103
    3.5.1 气动干扰因子  96-97
    3.5.2 串列双幅矩形断面三分力系数气动干扰规律  97-98
    3.5.3 串列双幅∏形断面三分力系数气动干扰规律  98-99
    3.5.4 串列双幅流线型断面三分力系数气动干扰规律  99-103
    3.5.5 串列双幅断面斯脱罗哈数气动干扰规律  103
  3.6 小结  103-106
第4章单幅断面涡激振动数值模拟  106-129
  4.1 涡激振动数值研究概述  106-108
    4.1.1 涡激振动数值模拟研究现状  106-108
  4.2 基于FLUENT的单幅断面涡激振动数值模拟方法  108-113
    4.2.1 动网格原理  108-110
    4.2.2 结构涡激振动响应方程求解—Newmark-β法  110-111
    4.2.3 结构涡激振动响应UDF程序  111-113
  4.3 宽高比为4:1的矩形断面涡激振动数值模拟  113-121
    4.3.1 模型简介  113
    4.3.2 网格建立及边界条件  113-114
    4.3.3 数值模拟计算结果  114-121
  4.4 宽高比为5:1的矩形断面涡激振动数值模拟  121-128
    4.4.1 模型简介  121
    4.4.2 网格建立及边界条件  121-122
    4.4.3 数值模拟计算结果  122-128
  4.5 小结  128-129
第5章串列双幅矩形断面涡激振动数值模拟  129-145
  5.1 概述  129-130
  5.2 基于FLUENT的串列双幅断面涡激振动数值模拟方法  130
  5.3 串列双幅矩形断面涡激振动数值模拟结果  130-143
    5.3.1 模型简介  130
    5.3.2 网格建立及边界条件  130-132
    5.3.3 间距比为D/B=0.5串列双幅矩形断面涡激振动数值模拟结果  132-137
    5.3.4 间距比为D/B=1.0串列双幅矩形断面涡激振动数值模拟结果  137-143
  5.4 小结  143-145
结论与展望  145-147
参考文献  147-151
致谢  151-152
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录及科研项目  152

基于FLUENT的大跨度双幅桥面桥梁气动干扰性能研究

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