侯濤 劉妍妍
數(shù)值模擬是研究復(fù)雜山區(qū)風(fēng)特性的重要方法之一。為了研究地形模型的尺度對山區(qū)橋址區(qū)風(fēng)特性的影響,以西部山區(qū)某大跨度懸索橋橋址區(qū)為工程背景,建立了以橋位為中心的50 km×50 km的大尺度模型和10 km×10 km的小尺度模型,采用CFD數(shù)值模擬的方法,研究了地形模型的尺度對橋址區(qū)平均風(fēng)速和風(fēng)向角的影響。結(jié)果表明:地形模型的尺度對橋址區(qū)平均風(fēng)速的影響十分顯著。當(dāng)來流由小尺度地形模型邊界輸入時,地勢平坦,氣流沿河道吹來,橋位上游的風(fēng)向與入口風(fēng)向基本平行,橋位風(fēng)速較高。而當(dāng)來流由大尺度地形模型邊界輸入時,由于山體的阻擋,橋位上游的來流風(fēng)向近似平行于峽谷走向,橋位處風(fēng)速明顯減小,跨中減小幅度約為25%。2種模型在橋位處的氣流流向相似,地形模型的尺度對橋位處的風(fēng)向角的影響相對較小。
復(fù)雜山區(qū); 風(fēng)特性; 數(shù)值模擬; 尺度效應(yīng); 橋址區(qū)
U442.4 A
[定稿日期]2022-02-22
[作者簡介]侯濤(1982—),男,碩士,副教授,研究方向?yàn)槭姓?、橋梁、城市軌道設(shè)計(jì)與施工; 劉妍妍(1987—),女,碩士,工程師,研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。
風(fēng)致災(zāi)害在自然界中十分普遍。大跨度橋梁的柔度較大,在風(fēng)荷載作用下易出現(xiàn)對結(jié)構(gòu)不利的振動,抗風(fēng)設(shè)計(jì)已成為大跨度橋梁設(shè)計(jì)的重要控制因素之一,而精確地獲取橋址區(qū)的風(fēng)特性是抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究的前提。
研究深切峽谷橋址區(qū)風(fēng)特性主要有3種手段:現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬。其中數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測和風(fēng)洞試驗(yàn)相比,在研究費(fèi)用、時間等方面均具有優(yōu)勢,且具有可視化的優(yōu)點(diǎn)。隨著數(shù)值求解方法的發(fā)展和計(jì)算機(jī)性能的進(jìn)步,數(shù)值模擬方法已逐步成為研究復(fù)雜地形風(fēng)特性的的重要手段。胡朋[1]建立了理想峽谷的CFD數(shù)值模型,研究了不同峽谷夾角和不同峽谷高度下的平均風(fēng)特性和脈動風(fēng)速譜。Huang和Zhang[2]采用k-ω SST湍流模型對香港小蠔灣附近的風(fēng)特性進(jìn)行了研究,數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測和風(fēng)洞試驗(yàn)吻合良好。Maurizi等[3]建立了15 km×14 km的數(shù)值模型,采用k-ε湍流模型研究了近地風(fēng)場,對比分析了網(wǎng)格尺寸及邊界條件對風(fēng)剖面的影響。Uchida和Ohya[4]采用大渦模擬的方法對9.5 km×5 km范圍內(nèi)的風(fēng)場進(jìn)行了模擬,并對其加速效應(yīng)與流動分離進(jìn)行了分析。
雖然利用數(shù)值模擬的方法研究山區(qū)風(fēng)特性已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,但是對于計(jì)算區(qū)域的選取并無明確的標(biāo)準(zhǔn),且對地形模型的尺度效應(yīng)研究較少。模擬中若選取的計(jì)算區(qū)域太小,則難以保證風(fēng)場的充分發(fā)展,進(jìn)而無法真實(shí)地反映橋址區(qū)的風(fēng)特性。但是若計(jì)算區(qū)域過大,對計(jì)算機(jī)的性能又有很高的要求。目前的研究中對地形范圍的選取比較任意,大多小于500 km2的地形范圍,胡峰強(qiáng)[5]建立了以北盤江大橋?yàn)橹行陌霃綖?.4 km的數(shù)值模型,靖洪淼等[6]選取了以橋位為中心半徑為5 km的圓形地形,祝志文等[7]選取了以烏江大橋?yàn)橹行牡? m×10 km的地形范圍,Nomura等[8]選取了以橋位為中心的8 km×8 km的地形范圍,薛亞飛和劉志文[9]選取了以山西臨猗黃河大橋?yàn)橹行牡?0.8 km×9.0 km的地形范圍。
本文以西部山區(qū)某大跨度懸索橋橋址區(qū)為工程背景,分別建立了以橋位為中心的50 km×50 km的大尺度模型和10 km×10 km的小尺度模型,采用CFD數(shù)值模擬的方法進(jìn)行對比分析,研究地形模型的尺度對橋址區(qū)平均風(fēng)特性的影響,可為復(fù)雜山區(qū)風(fēng)特性數(shù)值的計(jì)算區(qū)域選取提供參考。
1 工程背景
某大跨度懸索橋?yàn)閱嗡慰缧问剑骺?80 m。橋型布置如圖1所示。橋址區(qū)群山環(huán)繞、層巒疊嶂、溝壑縱橫、支流繁復(fù),屬于典型的山區(qū)峽谷地形,如圖2所示。橋位上游和橋位處的河道發(fā)生連續(xù)大角度彎曲??傮w而言,該橋位處地勢起伏較大,地形狹窄,橋址區(qū)特有的復(fù)雜地形地貌對風(fēng)特性可能產(chǎn)生較大影響。
2 數(shù)值模型
2.1 計(jì)算域的選取
本文選定以橋位為中心的50 km×50 km地形范圍進(jìn)行研究,計(jì)算區(qū)域投影面積達(dá)2 500 km2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出之前的研究范圍,可以更充分地考察橋址區(qū)的平均風(fēng)特性。為了使計(jì)算域內(nèi)的氣流有充分的空間自由發(fā)展,避免邊界效應(yīng)帶來的氣流壓縮,計(jì)算區(qū)域頂部高程設(shè)為10 000 m,滿足計(jì)算要求。同時,還建立了以橋位為中心的10 km×10 km的模型進(jìn)行對比分析,研究地形模型的尺度對橋址區(qū)平均風(fēng)特性的影響。
2.2 網(wǎng)格劃分
首先提取橋址區(qū)附近50 km×50 km范圍內(nèi)的高程信息,并對高程進(jìn)行插值處理,生成三維地形點(diǎn)云,分辨率為100 m。對生成的三維地形點(diǎn)云曲面擬合后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量,劃分時均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在高度方向,由于主要研究的是橋面高度以下的平均風(fēng)特性,所以在網(wǎng)格劃分時距離地形表面越近網(wǎng)格越密,而海拔越高則越稀疏,首層網(wǎng)格高度為10 m。劃分好的網(wǎng)格如圖3所示,大尺度模型和小尺度模型計(jì)算區(qū)域最終共劃分的網(wǎng)格總數(shù)分別為4 732 000和700 000。
2.3 邊界條件
計(jì)算區(qū)域底面,即地形表面設(shè)置為無滑移壁面,頂面設(shè)置為對稱邊界;入口和出口邊界分別設(shè)置為速度入口和壓力出口。通過編譯UDF將入口風(fēng)速沿高度方向分段輸入。在大氣邊界層內(nèi),風(fēng)速隨離地高度的增大而增大。偏安全地選用B類地表對應(yīng)風(fēng)剖面,所以地表粗糙度系數(shù)取為0.16。入口邊界最高海拔為2 289.4 m,最低點(diǎn)高程為1 091 m,所以大氣邊界層高程定為2 639.4 m,梯度風(fēng)高度為1 548.4 m。海拔2 639.4 m以下入口風(fēng)速按照B類地表指數(shù)規(guī)律分布;當(dāng)海拔超過2 369.4 m,風(fēng)速不再受地面粗糙度的影響,達(dá)到梯度風(fēng)速,設(shè)為50 m/s。風(fēng)速分布如圖4所示,跨中橋面高程為1 570 m,對應(yīng)橋面高度處入口風(fēng)速為41.4 m/s。
對于復(fù)雜山區(qū)地形下的橋梁抗風(fēng)問題更關(guān)注其平均風(fēng)特性,因此本文采用基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行計(jì)算。選用對流動分離具有較好解析度的SST k-ω湍流模型,采用二階格式離散控制方程,應(yīng)用SIMPLE算法解決N-S方程中壓力-速度的耦合問題,對壓力、動量方程、湍流耗散率和湍動能方程采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。
2.4 工況設(shè)置
復(fù)雜山區(qū)地形對風(fēng)速的影響十分顯著,風(fēng)速、風(fēng)向具有明顯的區(qū)域特征。實(shí)際情況中,對橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性影響最大的是橫橋向來流,橋址區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向與橋軸線也接近垂直。因此,選取與橋軸線垂直的風(fēng)向作為本研究的來流風(fēng)向,如圖5所示。
3 計(jì)算結(jié)果
風(fēng)速和風(fēng)向角是影響橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性最重要的參數(shù)。為了得到風(fēng)特性沿橋軸線的分布,由西岸到東岸每1/8橋跨長度設(shè)置一個風(fēng)速監(jiān)測點(diǎn),共9個。為了研究風(fēng)速沿海拔高度的變化,分別在1/4跨、跨中、3/4跨沿高度方向設(shè)置了20個監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)覆蓋了谷底至高空的1 400~1 500 m的海拔范圍。1/4跨、跨中、3/4跨3組監(jiān)測點(diǎn)的最低海拔分別為1 367 m、1 270 m和1 360 m。通過計(jì)算得到各風(fēng)速測點(diǎn)的風(fēng)速值,其中橫橋向風(fēng)速和順橋向風(fēng)速分別用u和v表示,風(fēng)向角β的定義如式(1)所示。風(fēng)向角正值代表來流從西吹向東,為負(fù)則代表來流從東吹向西。
β=tan-1v|u|(1)
3.1 風(fēng)向角
圖6給出了橋面高度水平剖面風(fēng)向角的分布。從圖6中可以看出,當(dāng)來流由10 km×10 km的數(shù)值模型邊界輸入時,氣流沿河道吹來,未受到明顯的山體遮擋,來流運(yùn)動軌跡與山勢起伏接近,橋位上游的風(fēng)向與入口風(fēng)向基本平行,如圖6(a)所示。當(dāng)氣流經(jīng)過彎曲的河道、到達(dá)橋位處時,風(fēng)向也僅發(fā)生了微小的變化,而經(jīng)過橋位后流線四處分散。風(fēng)向角沿豎向和橋跨方向的分布如圖7所示。由于氣流由西北方向吹來,所以風(fēng)向角為正。風(fēng)向角沿豎向分布呈“S”型,在橋面高度處較大;沿橋跨方向呈現(xiàn)兩岸大、跨中小的趨勢,且在跨中分布較均勻。
而對于大尺度模型來說,即來流由50 km×50 km的數(shù)值模型邊界輸入時,橋址區(qū)的風(fēng)環(huán)境發(fā)生了改變。由于西側(cè)存在連綿的山體,當(dāng)來流充分發(fā)展流動至橋位上游處時,氣流已經(jīng)抬升至一定高度,再加上河道的改向,橋位上游的來流風(fēng)向發(fā)生改變,不再與入口風(fēng)向平行,而是近似平行于峽谷和河流走向,如圖6(b)所示。氣流由山頂向下俯沖至橋位,而后再匯集灌入下游河道中。來流經(jīng)過橋位后,沿著河道向下游流動,流動較集中。
與小尺度模型計(jì)算相比,風(fēng)向角沿豎向總體呈現(xiàn)減小的趨勢。風(fēng)向角在高空略有減小,但變化趨勢保持一致;在近地面變化較大,而橋面高度處的影響最小。風(fēng)向角沿跨向分布與小尺度計(jì)算結(jié)果相差不大,僅在左岸有所差異,這是由于橋梁左跨與隧道相連,監(jiān)測點(diǎn)與山體距離很小,此處風(fēng)速很小,輕微的擾動便會造成風(fēng)向角的大幅度改變。風(fēng)向角沿跨向由西岸向東岸單調(diào)遞增,風(fēng)向角均為正,如圖7所示。
3.2 風(fēng)速
圖8給出了橋面高度處水平剖面的風(fēng)速云圖。當(dāng)來流由10 km×10 km的數(shù)值模型邊界輸入時,來流沿河道吹來,地勢較平坦,未受到明顯的山體遮擋,橋位上游的風(fēng)速較高,為40 m/s左右。來流經(jīng)過河道彎曲地帶時,受到山體的阻礙,風(fēng)速有所降低。但是氣流進(jìn)入峽谷到達(dá)橋位處時,由于空氣質(zhì)量不能大量堆積,于是加速流過峽谷,風(fēng)速又增大,如圖8(a)所示,存在典型的“狹管效應(yīng)”。圖9給出了監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速沿豎向和橋跨方向的分布,風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律基本符合指數(shù)增長形式;風(fēng)速沿橋跨方向呈現(xiàn)非均勻分布,靠近東西兩岸的風(fēng)速較低,尤其是西側(cè)直接與隧道相接,風(fēng)速接近于0,而跨中區(qū)域的風(fēng)速較高,約為41.65 m/s,與風(fēng)速入口橋面高度處風(fēng)速接近。
而來流由50 km×50 km的數(shù)值模型邊界輸入,當(dāng)來流充分發(fā)展流動至橋位上游處時,由于西側(cè)山體的阻擋,風(fēng)速較入口風(fēng)速有了明顯的減小,約為30 m/s,如圖8(b)所示。來流先攀升至東側(cè)的山體,再由山頂向下俯沖至橋位,而后再匯集灌入下游河道中。風(fēng)速沿高度方向的剖面形狀發(fā)生了變化,風(fēng)剖面系數(shù)減小。在3/4跨位置處,低空不再完全符合對數(shù)或指數(shù)形式,而是在一定高度范圍內(nèi)加速,呈“S”型,如圖9(a)所示。風(fēng)速沿橋跨方向也發(fā)生了變化,與小尺度模型計(jì)算結(jié)果相比,風(fēng)速大小明顯降低,跨中風(fēng)速降低了約25.4%。除風(fēng)速很小的西岸監(jiān)測點(diǎn)外,其余位置處的風(fēng)速分布較均勻,如圖9(b)所示。
綜上所述,地形模型的尺度對復(fù)雜山區(qū)橋址區(qū)的風(fēng)特性影響不容忽視,尤其是對風(fēng)速的影響最大,而對橋位處風(fēng)向角的影響相對較小。
4 結(jié)論
(1)當(dāng)來流由小尺度地形模型邊界輸入時,橋位上游的風(fēng)向與入口風(fēng)向基本平行,而當(dāng)采用大尺度模型后,橋位上游的來流風(fēng)向近似平行于峽谷走向。而經(jīng)過彎曲的河道達(dá)到橋位處時氣流流向相似。
(2)風(fēng)向角沿豎向分布呈“S”型,在橋面高度處較大。地形尺度大小對橋位處風(fēng)向角的影響不明顯,僅在風(fēng)速較小的左岸差異較大,而在跨中區(qū)域影響較小。
(3)當(dāng)來流由小尺度模型邊界輸入時,氣流沿河道吹來,地勢平坦,橋位風(fēng)速較高,接近入口橋面高度的風(fēng)速。而當(dāng)考慮大尺度模型后,由于山體的阻擋,橋位處風(fēng)速明顯減小,減小幅度約為25%。
(4)對于小尺度模型,風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律基本符合指數(shù)增長形式;而對于大尺度模型,風(fēng)剖面系數(shù)減小。在3/4跨,低空不再完全符合對數(shù)或指數(shù)形式,而是在一定高度范圍內(nèi)加速,呈“S”型。
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