06-桥梁CFD的基本概念和工程实例

桥梁CFD分析的基本概念和实际工程实例AdvancedNonlinearandDetailAnalysisSystem北京迈达斯技术有限公司目录耐风设计的必要性耐风设计的方法CFD分析的必要性midasFEA的CFD分析功能验证CFD分析的实际工程实例北京迈达斯技术有限公司台风：Typhoon旋风：Cyclone飓风：Hurricane龙卷风：Tornado关于风北京迈达斯技术有限公司公路桥涵设计通用规范(JTJD60-2004，4.3.7条)•设计基本风速(V10):按平坦空旷地面，离地面10m高，重现期为100年10分钟年平均最大风速计算确定。2.铁路桥涵设计基本规范(TB10002.1-2005，4.4.1条)•设计基本风速(V10):按平坦空旷地面，离地面20m高，频率为1/100的10分钟年平均最大风速计算确定。3.建筑结构荷载规范(GB50009-2001，7.1.2条文说明)•设计基本风速(V10):按平坦空旷地面，离地面10m高，重现期为50年的10分钟年平均最大风速计算确定。•高规3.2.2条规定对特别重要或对风荷载比较敏感建筑物(高度大于60m)按重现期为100年的10分钟年平均最大风速计算确定。没有资料时，可将50年基本风压乘以系数1.1使用。北京迈达斯技术有限公司台风最佳路径计算区域的台风轨迹各方向重现期风速蒙特卡罗方法设计基本风速的确定北京迈达斯技术有限公司耐风设计方法静耐风设计动耐风设计静荷载：使用设计规范中的设计基本风速计算基本风压，考虑各种修正后加载到结构上进行静力计算。静力稳定性验算：横向屈曲、静力扭转发散。---验算临界风速动力稳定性验算：驰振、颤振。---验算临界风速风致限幅振动：抖振、涡激共振。---验算振幅(竖向和扭转振幅)北京迈达斯技术有限公司(1889)Forthrailbridge(1890)静耐风设计北京迈达斯技术有限公司BUFClL2212221BUFCmM三分力系数(风洞试验/CFD分析)静耐风设计北京迈达斯技术有限公司静耐风设计加载静风荷载北京迈达斯技术有限公司动耐风设计自激振动强迫振动•涡激振动(Motion-inducedVortexExcitation)•驰振(Galloping)•扭转颤振(TorsionalFlutter)•耦合颤振(CoupledFlutter)•卡尔曼涡激振动(KarmanVortexExcitation)•抖振(Buffeting)动力失稳现象北京迈达斯技术有限公司动耐风设计耐风设计资料风洞试验/CFD/解析方法·桥梁空气动力学(BridgeAerodyanmics，英国)·道路桥耐风设计便览(日本)·本州-四国联络桥耐风设计基准(日本)·公路桥梁抗风设计规范(中国)·节段模型试验/全桥气动弹性模型试验·二维CFD分析·抖振分析/颤振分析北京迈达斯技术有限公司(VIV)北京迈达斯技术有限公司(VIV)北京迈达斯技术有限公司•施工时•成桥后北京迈达斯技术有限公司计算流体动力学CFD分析的必要性(1)确定合理的桥梁截面(2)掌握桥梁周边的流体流动特性(3)可视化的流场显示(4)节省费用(相对于风洞试验)北京迈达斯技术有限公司)截面：圆形截面(流体力学的标准截面)、任意的桥梁截面。2)内容：圆形截面---文献资料比较在层流流动条件下的涡流脱落频率和气动力系数的振幅任意桥梁截面---与程序Fluent比较紊流条件下的分析结果3)各例题模型尺寸取为1，用雷诺数(Reynoldsnumber)和马赫数(Machnumber)归一化。(1)圆柱圆柱截面半径:r=0.5圆形网格外边界半径:R=15.0网格数:圆周方向256x半径方向128midasFEA的CFD分析功能的测试鉴定测试内容分析对象模型形状北京迈达斯技术有限公司(2)桥梁截面A宽度(流动方向的长度):LH=1.000厚度(梁高):LV=0.108网格数:60874cells*为了准确模拟边界上的速度变化，壁面边界上单元格尺寸使用了5.0E-5水准，并使用了双曲正切播种法(Hyperbolictangentseeding)midasFEA的CFD分析功能的测试鉴定(1)圆柱截面密度:1粘度:0.01333音速:10雷诺数:Re=150迎面气流速度:2湍流模型:无边界条件:壁面(圆柱)，自由流(圆形外轮廓)时间步:0.02(2)桥梁截面密度:1粘度:1.47E-9音速:1湍流模型:q-omega(壁面函数)雷诺数:2.0E7迎面气流速度:0.0294(换算为空气10m/s)边界条件:自由流(流动入口/出口)，壁面边界(桥梁壁面)，对称条件(上/下部)时间步:混合比较0.005和0.05*Fluent使用了RNGk-epsilon(标准壁面函数)有关流体的特性、边界条件、非定常分析的设置北京迈达斯技术有限公司•气动力系数从t=20以后变化逐渐稳定•升力系数从FFT结果可获得一个卓越频率气动力系数(Cl,Cd)和升力系数(Cl)的FFT结果midasFEA的CFD分析功能的测试鉴定分析结果和比较-圆柱截面北京迈达斯技术有限公司压力分布和速度分布(包含流线)(t=39.5)升力系数(Cl)的频率频率=0.3662HzStrouhalNumber=0.1831StrouhalNumber(文献)=0.182气动力系数的大小和范围Cl=-0.52~0.52Cl(文献)=-0.53~0.53Cd=1.330-0.025~1.330+0.025Cd(文献)=1.334-0.03~1.334+0.03*文献:Liu,C.,Zheng,X.andSung,C.H.,“PreconditionedMultigridMethodsforUnsteadyIncompressibleFlows,”JournalofComputationalPhysics,vol.139,1998通过压力分布和速度分布可以确认有明显的非对称流动，通过流线可以确认产生了涡流。midasFEA的CFD分析功能的测试鉴定北京迈达斯技术有限公司(sec)Aero-DynamicsCoefficientsCl(FEA)Cd(FEA)Cl(Fluent)Cd(Fluent)Aero-DynamicsCoefficients0.0250.0270.0290.0310.0330.035100102104106108110112114116Time(sec)Aero-DynamicsCoefficientsCd(FEA)Cd(Fluent)气动力系数历程气动力系数大小和范围FEA:Cl(average)=-0.5769Cl(amplitude)=0.015(dt=0.005)0.019(dt=0.05)Cd(average)=0.0292Cd(amplitude)=0.0033Fluent:Cl(average)=-0.6036Cl(amplitude)=0.015Cd(average)=0.0323Cd(amplitude)=0.0033升力系数的频率FEA:0.108HzFluent:0.111Hz分析结果和比较北京迈达斯技术有限公司midasFEA的CFD分析功能的测试鉴定压力分布(左：midasFEA，右：Fluent)(t=Cl最小时)压力的最大/最小值midasFEA:-1.04E-3~4.32E-4Fluent:-1.08E-3~4.33E-4北京迈达斯技术有限公司midasFEA的CFD分析功能的测试鉴定速度分布(左：midasFEA，右：Fluent)(t=Cl最小时))三分力系数(气动力系数)的平均值、振幅、频率与文献以及程序Fluent的结果比较非常近似。2)在部分数据上有10%左右的误差，推测为使用的湍流模型不同造成的。3)在特定时间上的压力和速度的最大/最小值与程序Fluent比较有10%的误差，推测为使用的湍流模型的差异，如果考虑分析为非定常流动分析，其结果可以认为非常接近。结论北京迈达斯技术有限公司midasFEA的CFD分析功能的测试鉴定分析网格网格数:60154cells网格组数:26CFD分析的实际工程实例通过对二维截面的CFD分析，掌握气流的流动状态，验算桥梁的耐风安全性分析目的北京迈达斯技术有限公司分析截面长度(流动方向):LH=25.63m厚度(梁高):LV=3.862m北京迈达斯技术有限公司CFD分析的实际工程实例边界条件和特性值流动的入口速度:10m/s流体对象:空气(密度=1.225kg/m3,粘度=1.7894E-5Nsec/m2顶面:对称条件(对称或滑移条件)桥梁壁面:粘结条件(无滑移条件或固壁)流动入口/出口:自由流湍流模型:q-omega(壁面函数)分析程序:midasFEA北京迈达斯技术有限公司CFD分析的实际工程实例(sec)Aero-DynamicsCoefficientsCl(Lift)Cd(Drag)气动力系数CD=2Fx/ρU2LVCL=2Fx/ρU2LH阻力系数(CD)=0.733升力系数(CL)=-0.147北京迈达斯技术有限公司CFD分析的实际工程实例频率分析(FFT)升力系数f=0.78HzStrouhalnumber(St)=0.301阻力系数-与升力系数在相同频率上具有顶点升力系数(CL)阻力系数(CD)0.78Hz北京迈达斯技术有限公司CFD分析的实际工程实例速度分布(风下游一侧)Total1.25sec(36.5sec~37.75