试论基于两种湍流模型的桥梁颤振导数识别研究.docxVIP

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2024-09-20 发布于湖北
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试论基于两种湍流模型的桥梁颤振导数识别研究.docx

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试论基于两种湍流模型的桥梁颤振导数识别研究

摘要：分析了标准kε模型和SST(ShearStressTransports)kω模型的模型特征和相关使用要求，并以它们为例数值识别了某大跨度桥梁断面的颤振导数.研究结果表明，基于合理的计算域和网格划分，这两种湍流模型均能较准确地识别桥梁断面的大部分颤振导数，但个别颤振导数识别上存在趋势性的差别，SSTkω模型在识别桥梁颤振导数上优越于标准kε模型.本文研究为合理选择湍流模型进行颤振导数识别提供了参考.

关键词：颤振；标准kε模型；SSTkω模型；大跨度桥梁；CFD

中图分类号：TU311.3文献标识码：A

ComparativeStudyofTwoTurbulenceModelsBased

ontheIdentificationofFlutterDerivativesofBridges

ZHUZhiwen,XIAChang

(ResearchCenterofWindEngineering,HunanUniv,Changsha,Hunan410082,China)

Abstract:

ThecharacteristicsandcomputationalrequirementsofboththestandardkεturbulencemodelandtheSSTkεturbulencemodelwerepresented.Thetwomodelswereappliedtotheidentificationofflutterderivativesofarealbridgedeck.Ithasbeenfoundthat,basedonsuitablecomputationaldomainandgridsarrangement,thesemodelscanidentifymostflutterderivativesofbridgedeckswithreasonableagreement.ThedifferencebetweenspecificflutterderivativesindicatesthattheSSTkεturbulencemodelissuperiortothestandardkεmodelonflowfieldpredictionaroundbridgedecks,andismoresuitabletobeemployedtoidentifyflutterderivativesofbridges.

Keywords:flutter；standardkεmodel;SSTkεmodel;longspanbridges;CFD

风洞试验是研究大跨度桥梁颤振稳定性的主要手段.风洞试验简单直观，但风洞试验涉及模型制作、复杂的仪器设备，并且其试验周期长，费用高，紊流风场的有效模拟比较困难.随着计算机技术的快速发展，采用数值计算的方法来识别颤振导数成为可能，Larsen的离散涡法［1］，Zhu等开发的有限体积法［2］，曹丰产等开发的有限元方法［3］，都取得了重要的成果.其中部分方法还是在均匀流场中开展的，并没有实现对湍流的模拟，虽然计算工作量减小，但网格等可能并没有达到要求.大型CFD商业软件FLUENT和CFX等以其通用性和便利的后处理功能受到数值风洞研究者的肯定，同时提供了多种湍流模型，因此它们在结构风工程领域的研究中越来越受到重视.

标准kε湍流模型是由Launder和Spalding［4］于1972年首先提出的，该湍流模型属于高Re数模型，在近壁区并不直接求解，而是通过壁面函数将近壁区的变量与湍流核心区变量联系起来求解，因此存在固有近边界模拟的缺陷，同时在此模型中假设湍流黏性系数μt是相同的，而在流线弯曲和应变率大的情况下，湍流是各向异性的，因此，此模型用于强旋流、弯曲壁面流动或弯曲流线流动时，会产生一定的失真［5］.Menter在1993年对Wilcox提出的标准两方程kω湍流模型进行修正后提出分区剪应力输送(ShearStressTransport)模型［6］，即SST湍流模型.该模型实际上是从边界层内部的标准kω模型逐渐转变到边界层外部的高Re数的标准kε模型，在近壁区，它不再引入如壁面函数这样的经验公式，而是采用标准kω模型直接求解，