韓 艷，胡揭玄，蔡春聲，2

(1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南，長沙 410114;2.美國路易斯安那州立大學(xué)，美國路易斯安那州巴吞魯日 70803)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，公路橋梁上的車輛數(shù)目急劇增加。大量車輛在橋梁上的行駛改變了橋梁的局部動力特性，然而，橋梁在橫風(fēng)中的振動也會影響行車安全。因此，為保障車輛的行車安全和橋梁的正常使用，研究風(fēng)—車—橋系統(tǒng)的相互作用十分必要。

車輛和橋梁氣動力參數(shù)的準(zhǔn)確識別是風(fēng)—車—橋耦合振動研究的前提。橫風(fēng)作用下，車輛位于橋梁上，橋梁斷面的幾何形狀會影響車輛的氣動力，另外，車輛的存在也會改變橋梁斷面的風(fēng)場，從而影響橋梁的氣動力，也就是說，車輛和橋梁間存在著相互的氣動影響。在較多的研究中未考慮這種相互影響［1－2］，目前國內(nèi)學(xué)者越來越重視這種影響。葛玉梅等［3］通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)測試了考慮橋上有靜止列車的橋梁斷面的氣動參數(shù)和橋梁影響下的靜止列車的氣動參數(shù)，考慮了靜止列車和橋梁間相互氣動影響。祝志文等［4］基于ANSYS的FLOTRAN模塊研究了雙層客車在鐵路簡支梁上的橫風(fēng)效應(yīng)。李永樂等［5－7］在這方面進(jìn)行了大量研究，首先研制了一套交叉槽測試系統(tǒng)，分別測試了車橋系統(tǒng)的氣動力荷載，考慮了靜止車輛與橋梁間的氣動影響;接著又開發(fā)了一套移動車輛模型車橋系統(tǒng)氣動力測試裝置，考慮了移動車輛與橋梁間的氣動影響。雖然該研究是針對鐵路橋梁的，但值得借鑒。風(fēng)洞試驗(yàn)雖然是研究橋梁抗風(fēng)研究的主要手段，但其試驗(yàn)周期長，費(fèi)用高，車輛運(yùn)動的有效模擬比較困難。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，采用數(shù)值計算的方法來分析車輛和橋梁氣動特性成為可能。韓艷等［8－10］采用數(shù)值計算方法對風(fēng)—車—橋耦合系統(tǒng)的車輛和橋梁氣動特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車輛和橋梁間的相互氣動干擾對車輛和橋梁的氣動力有較大的影響，不容忽視。

本文基于韓艷等［8－10］研究采用數(shù)值模擬方法對風(fēng)—車—橋系統(tǒng)的氣動特性進(jìn)行進(jìn)一步研究，計算分析了高低紊流度風(fēng)場中不同風(fēng)攻角下車輛和橋梁的靜氣動力，分析研究了靜止車輛對橋梁靜氣動力的影響、風(fēng)攻角對車輛靜氣動力的影響以及風(fēng)場的紊流性對車橋靜氣動力的影響。

1 模型幾何尺寸概述

某大跨度懸索橋主梁斷面尺寸如圖1(a)所示。汽車沿縱向位于主梁中間，橫向位于距橋梁中心線5.5 m處，汽車底部距橋面為0.49 m。車輛三維計算模型見圖1(b)所示。

圖1 橋梁斷面及車輛模型示意圖Fig.1 Model geometry and overall dimensions(Unit:cm)

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬方法

采用大型商業(yè)流體計算軟件CFX進(jìn)行計算分析，采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在模型周圍區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖2所示。計算采用SST湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，該模型綜合了k－ω和k－ε2種模型的優(yōu)點(diǎn)，在近壁面的地方采用k－ω模型，在自由剪切流的地方則采用k－ε模型，且ω和ε之間可以自動轉(zhuǎn)換。SST模型還考慮了逆壓梯度的影響，對模擬鈍體有分離現(xiàn)象的流動結(jié)果比較好。SST模型不使用壁面函數(shù)也可以從邊界層一直積分到壁面，這就要求壁面處的無量綱高度y+≈1。為了滿足這個要求，在劃分網(wǎng)格前，可以通過下面公式初步估算第一層邊界層的高度:

式中，Δy為到壁面的距離;uτ為壁面摩擦速度;ν為動力粘度;τw為壁面切應(yīng)力;表面摩擦系數(shù)可以從。經(jīng)驗(yàn)主義相關(guān)性中估計出來 本文由公式(1)計算出來的第1層網(wǎng)格高度可以滿足無量綱高度y+≈1的要求，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2 計算域與邊界條件

假設(shè)模擬的是颶風(fēng)中撤離時比較擁擠的這種情況，前后車輛間的間距為10 m，取其中一段進(jìn)行模擬，為了簡化只取一個車道。具體模擬條件為:一輛車靜止在橋的一側(cè)車道上，縱向距兩端5 m，橫向距橋梁中心線5.5 m。假設(shè)特征長度取橋梁高H，前方邊界位于橋梁中心線上游20H處，后方邊界處于下游86H處，從橋上下表面分別延伸19H為計算域的上下邊界。橋長17.78 m。數(shù)值風(fēng)洞中模

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Meshing of the model

型相對位置見圖3。

圖3 流場計算區(qū)域示意圖Fig.3 Computational domain of the flow field

入口條件:入口采用速度邊界條件(Velocity inlet)，切向速度為零，只有法向速度，紊流度分別取1%和10%，分別對應(yīng)低紊流度風(fēng)場和高紊流度風(fēng)場;出口條件:出口采用Outlet邊界條件，相對壓力選為零;側(cè)壁采用自由滑移(Free slip)壁面條件，上下壁采用對稱邊界條件(Symmetry)，橋梁和車輛表面采用無滑移(No slip)壁面邊界條件。參考壓力選為1個大氣壓，流動選為非定常流動。

3 氣動力系數(shù)定義

風(fēng)荷載作用下，橋梁承受的氣動力荷載包括靜力風(fēng)荷載、自激力和抖振力，本文只研究靜力風(fēng)荷載。單位長度上體軸坐標(biāo)系下橋梁斷面靜力風(fēng)荷載(靜氣動力)定義為:

式中:ρ為空氣質(zhì)量;U為自然風(fēng)速;α為風(fēng)攻角;B和D分別為主梁斷面的寬度和高度;FH(α)，F(xiàn)V(α)和FM(α)分別為阻力、升力和升力矩，其方向定義如圖4所示;CH(α)，CV(α)和 CM(α)分別為阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升力矩系數(shù)。

車輛靜氣動力定義為:

式中:FS(α)，F(xiàn)L(α)，F(xiàn)D(α)，MP(α)，MY(α)和MR(a)分別為作用于車輛質(zhì)心的側(cè)力、升力、阻力、翻轉(zhuǎn)力矩、偏轉(zhuǎn)力矩和側(cè)傾力矩，其方向定義如圖5所示;CS(α)，CL，(α)CD(α)，CP(α)，CY(α)和CR(α)分別為車輛的側(cè)向力系數(shù)、升力系數(shù)、阻力系數(shù)、翻轉(zhuǎn)力矩系數(shù)、偏轉(zhuǎn)力矩系數(shù)和側(cè)傾力矩系數(shù);A為車輛的行駛方向迎風(fēng)面積;hv為車輛質(zhì)心距橋面距離。

圖4 橋梁氣動力方向示意圖Fig.4 Sign convention for aerodynamic forces of the bridge

圖5 車輛氣動力方向示意圖Fig.5 Sign convention for aerodynamic forces of the vehicle

設(shè)車輛靜止，采用CFX軟件計算分析橫風(fēng)作用下車輛對橋梁靜氣動力的影響、風(fēng)攻角對車輛靜氣動力的影響以及紊流特性對車橋靜氣動力的影響。具體模擬計算工況如表1所示。

表1 每種工況的模擬條件Table 1 Simulation conditions for each case

4 計算結(jié)果及分析

圖6是工況1和工況2的橋梁氣動力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化曲線圖。從圖中可以看出，工況2(也就是車橋耦合情況下)的橋梁氣動力系數(shù)均高于工況1(也就是單橋情況下)的橋梁氣動力系數(shù)，說明車輛的存在對橋梁靜氣動力影響顯著。另外還可以看出，對于每種攻角下車輛對橋梁氣動特性的影響程度也不一樣，對于阻力系數(shù)和升力矩系數(shù)，這種影響隨著風(fēng)攻角增大而增大。而對于升力系數(shù)，正好相反。

圖6 橋梁靜氣動力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化情況Fig.6 Static aerodynamic force coefficients of the bridge vs wind attack angle

圖7為工況1和工況2在0度風(fēng)攻角時的計算域壓力云圖。通過比較分析圖7(a)和圖7(b)可以看出，車橋耦合時，橋梁迎風(fēng)面壓力峰值點(diǎn)上移，峰值略有增大，在背風(fēng)面的負(fù)壓內(nèi)，負(fù)壓值減小，這將導(dǎo)致橋梁斷面的阻力系數(shù)增大。

圖8為工況1和工況2在0度風(fēng)攻角時的橋梁表面壓力云圖。通過比較分析圖8(a)和圖8(b)可以看出，車橋耦合時，由于車輛背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生了較大的負(fù)壓區(qū)，使橋梁上下表面壓力差增大，這將導(dǎo)致橋梁的升力系數(shù)增大。另外，由于橋梁斷面阻力和升力的變化，導(dǎo)致升力矩系數(shù)的變化。

圖7 0度風(fēng)攻角的計算域壓力云圖Fig.7 Pressure contours of computational domain for cases 1 and 2 at 0 degree wind attack angle

圖8 0度風(fēng)攻角的橋梁表面壓力云圖Fig.8 Pressure contours of bridge surface for cases 1 and 2 at 0 degree wind attack angle

圖9是車輛在高低紊流度風(fēng)場中(工況2和工況3)的靜氣動力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化曲線圖。從圖可以看出，側(cè)向力系數(shù)在0度風(fēng)攻角時達(dá)到最大值，在正攻角范圍內(nèi)，隨著攻角的增大而急劇減小，在負(fù)攻角范圍內(nèi)，隨著攻角絕對值的增大也有減小的趨勢，但是變化幅度沒有正攻角范圍幅值變化的大;升力系數(shù)的幅值也是在0度風(fēng)攻角時達(dá)到最大值，在正負(fù)攻角范圍內(nèi)也是隨著正負(fù)攻角絕對值的增大而減小，在正攻角范圍內(nèi)幅值減小的幅度大;阻力系數(shù)在負(fù)攻角范圍內(nèi)變化不大，但是在正攻角范圍內(nèi)，隨著攻角的增大而急劇減小;翻轉(zhuǎn)力矩系數(shù)和偏轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨著風(fēng)攻角的變化趨勢基本一致，在負(fù)攻角范圍內(nèi)基本沒有什么變化，在正攻角范圍內(nèi)有較大的跳躍;側(cè)傾力矩系數(shù)在整個攻角范圍內(nèi)隨著攻角的增大而減小。整體來說，風(fēng)攻角對車輛的氣動力系數(shù)影響比較大，因此，在實(shí)際的風(fēng)—車—橋耦合系統(tǒng)振動分析中需要考慮由橋梁風(fēng)致振動或其他原因引起的攻角變化對車輛氣動力的影響。

圖10是橋梁在高低紊流度風(fēng)場中(工況2和工況3)的靜氣動力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化曲線圖。從圖可以看出，阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨著風(fēng)攻角的增大而增大，升力矩系數(shù)隨著風(fēng)攻角的增大而減小。

另外，從圖9和圖10可以看出，湍流度對車輛氣動力有一定影響，但沒有規(guī)律，對橋梁氣動力影響不大。

圖9 車輛靜氣動力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化情況Fig.9 Static aerodynamic force coefficients of the vehicle vs wind attack angle

圖10 橋梁靜氣動力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化情況Fig.10 Static aerodynamic force coefficients of the bridge vs wind attack angle

圖11為工況2的－6度、0度和+6度風(fēng)攻角時車輛表面的壓力云圖，從圖中可以看出，車輛在0度攻角時高壓區(qū)域范圍最大，且壓力峰值達(dá)到最大;隨風(fēng)攻角絕對值的增大，高壓區(qū)范圍減小，逐漸出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，且負(fù)攻角高壓區(qū)范圍縮小慢，正攻角高壓區(qū)范圍縮小較快。另外，隨著風(fēng)攻角的變化，車輛的背風(fēng)面、頂面和底面也有相應(yīng)的變化。車輛表面壓力值的變化導(dǎo)致了車輛氣動力系數(shù)的變化，尤其是在正攻角范圍。

圖11 車輛表面壓力云圖(從上到下依次為迎風(fēng)面、背風(fēng)面、頂面和底面)Fig.11 Pressure contours of the vehicle surface(from up to down:windward side，leeward side，up surface and bottom surface)

5 結(jié)論

(1)車輛的存在對橋梁氣動特性影響顯著，橋梁氣動力系數(shù)普遍增大，不同風(fēng)攻角下這種影響程度也不一樣。

(2)風(fēng)攻角對車輛靜氣動力系數(shù)影響比較大，在實(shí)際的風(fēng)—車—橋耦合系統(tǒng)振動分析中需要考慮由橋梁風(fēng)致振動或其他原因引起的風(fēng)攻角變化對車輛氣動力的影響。

(3)紊流特性對車輛靜氣動力有一定影響，但沒有規(guī)律，對橋梁靜氣動力影響不大。

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