定常吸气改善桥梁断面气动特性数值研究.pdfVIP

第十三届全国结构风工程学术会议论文集 定常吸气改善桥梁断面气动特性的数值研究 辛大波 欧进萍 16024) (1．哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150090；2．大连理工大学土木水利学院，辽宁大连1 摘要本文以一桥梁闭口箱梁断面模型为研究对象，利用基于计算流体动力学的数啦方法模拟来流风作用下 桥梁断面的绕流风场，进而研究了通过在桥梁箱梁底面靠近来流风一端开孔施加定常吸气对桥梁断面气动特性的影 响．静力计算结果显示，与未采用吸气情况下相比，定常吸气后断面的升力与扭矩基本没有变化，而阻力却显著降 低，随着吸气能量的增加吸气减阻效果加大．研究表明，定常吸气可以有效的抑制风流过钝体断面而产生的分离， 使主流更加贴近壁面，进而达到减少断面阻力的目的． 关键词吸气．桥梁，气动特性，数值模拟 1．引言 自然界的风对大跨桥梁结构要产生动力作用和静力作用，结构在风的静力作用下又可能发生强 度问题和稳定问题。作为强度问题，主要是阻力引起的侧向风压荷载引起的，有时候也要考虑升力 的影响；作为稳定问题，它可能是在升力矩作用下引起的扭转发散，或是在阻力作用下的侧倾失稳。 因此在桥梁抗风设计中，提高桥梁结构在静风力作用下的安全度是十分重要的。 改变桥梁断面气动外型对于改善空气动力特性进而提高大跨桥梁的抗风能力是一种经济有效的 方法n，优化桥梁主梁断面的气动特性实际上是改变流体边界层结构，流体边界层控制技术一直是 流体力学研究领域中的一个重要课题2)。很早在航空航天领域，为了提高飞行器的升力，人们研究 利用物体表面吸气的方法提高飞行器升力面的特性∞。已有研究表明，定常吸气方法可以有效地提 高升力，改善机械叶型气动性能4)。当前的流体边界层控制研究主要针对改变边界面流动分离状况、 降低边界面粗糙程度以及改善边界层流态等方面5聊7)，对流体边界层控制机理的利用大多集中在提 高边界体升力、减小阻力等方面驴”o)。 研究利用吸气方法改善大跨桥梁空气动力特性，是很有意义的实际问题，研究这一问题主要依 赖试验和数值模拟，然而要详细研究吸气效应对流场和桥梁受力状况的影响规律，对试验而言，需 进行许多不同流场参数组合的试验及复杂的试验设备，这样将耗费大量资金，近年来，随着计算机 计算速度的提高，计算流体动力学快速发展，数值方法用于风工程研究日渐成熟，特别是对于外形 相对简单的结构断面绕流的模拟具有很高的可靠性。本文主要以桥梁二维断面为基本物理模型研究 定常吸气对流场以及桥梁断面受力状态的影响，进而评价定常吸气改善桥梁结构气动特性的效果。 2．致值模拟方法与吸气孔位置确定 选取某桥梁扁平箱梁断面模型A，其截面尺寸如图1。 图1桥梁扁平箱梁截面A(单位：mill) 100 第十三届全国结构风工程学术会议论文集 数值模拟来流风作用下模型绕流时，采用了质量守恒方程和雷诺平均二维不可压缩N-S方程， Stress Model)。 湍流模型采用RSM方程(Reynolds equation 计算域两个方向尺寸均为桥梁断顽相对应方向最大尺寸的15倍，计算网格采用基于多块网格 拼接技术的非结构化三角形网格，计算域网格总数大约106。桥梁断面壁面采用无滑移壁面边界条 件，计算域进口给定速度边界条件，出口给定出流边界条件。 考虑到桥梁桥面行车的使用要求以及桥梁断 ∞ 面两侧风嘴的使用功能，将吸气孔设置在桥梁底 o 面，图2给出了在水平均匀来流风速为25m／s时截 脚 脚 面A底面的静压分布。 心 从图2中可以看出，桥梁底面基本上处于负 r主乱 硼 压强区，最左端的负压最大，即此处流体产生的