Fluent在工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

胡 朋, 韓 艷

(長沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 湖南 長沙 410114)

Fluent在工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

胡 朋, 韓 艷

(長沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 湖南 長沙 410114)

以一座實際的大跨度橋梁橋址區(qū)風(fēng)場分析為例,介紹了計算流體動力學(xué)的工具軟件Fluent在工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)實驗教學(xué)中的應(yīng)用。介紹了Fluent軟件的特點和工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析所需的調(diào)查資料,闡述了基于Fluent軟件的地形模型建模與數(shù)值計算,分析了風(fēng)場計算結(jié)果,并利用Fluent軟件的可視化功能對風(fēng)場結(jié)果進(jìn)行了解釋。在該實驗建模過程中,學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力得到提高。

工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)； 實驗教學(xué)； Fluent應(yīng)用

1 工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)是土木工程專業(yè)開設(shè)的一門比較新的專業(yè)課程,其主要內(nèi)容是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)、大跨與高聳建筑結(jié)構(gòu)以及大型特種結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)。這些結(jié)構(gòu)的自振頻率較低,對風(fēng)的作用較為敏感。隨著大型結(jié)構(gòu)工程增多,國內(nèi)對工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)領(lǐng)域的人才需求越來越迫切[1-2]。

在工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)教學(xué)改革研究方面,文獻(xiàn)[3-4]介紹了采用案例教學(xué)法、問答式教學(xué)法等教學(xué)方法,取得了較好的教學(xué)效果；文獻(xiàn)[5]介紹了教學(xué)體系、方法、內(nèi)容以及考核手段等方面的改革,使學(xué)生能夠系統(tǒng)、全面地認(rèn)識和掌握結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計方法。然而,目前有關(guān)風(fēng)工程課程主要面向研究生開設(shè)。

隨著國家對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重視,針對本科生開展科研活動愈顯重要[6-7]。有些學(xué)校采用逆向教學(xué)方法、數(shù)值模擬和實驗方法對本科工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)工程的教學(xué)改革進(jìn)行了探索,取得了較好的效果[1],然而主要還是常規(guī)的課堂教學(xué)。

事實上,針對本科生進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的實驗教學(xué)對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才尤為重要[6-8],它可以培養(yǎng)本科生的動手能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。為此,長沙理工大學(xué)在為本科生開設(shè)的工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)實驗課程中,采用了計算流體動力學(xué)(CFD)軟件Fluent為基本工具,以一座大跨度懸索橋為工程背景,采用軟件前期建模、進(jìn)行數(shù)值計算、最后結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的實驗教學(xué)方法,使本科生深入了解工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的基本分析方法,鍛煉了學(xué)生的動手能力,也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

2 Fluent軟件介紹和工程基礎(chǔ)資料調(diào)查分析

首先了解Fluent軟件的基本特點和工程基礎(chǔ)資料的調(diào)查,幫助學(xué)生了解工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的基本過程。

2.1 Fluent軟件簡介

Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包,凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的領(lǐng)域均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能,在航空航天、土木工程、汽車設(shè)計、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計等方面都有著廣泛的應(yīng)用。在Fluent軟件系統(tǒng)中,前處理器模塊(如Gambit和ICEM CFD軟件)用于完成前處理工作(如區(qū)域確定、網(wǎng)格劃分等)；求解器模塊(如Fluent，CFX，Polyflow等)是CFD軟件的核心,主要用于數(shù)值求解、計算模擬流場；后處理器模塊(如CFD-Post，Tecplot等)主要用于計算數(shù)據(jù)的分析處理和可視化,從而可有效地觀察和分析計算結(jié)果。目前市場上有關(guān)Fluent的書籍較多,在具體教學(xué)中,可讓學(xué)生先熟悉軟件基本的操作流程。

2.2 工程基礎(chǔ)資料調(diào)查分析

圖1為一座大跨度懸索大橋的橋跨布置示意圖。該大橋為主跨1 196 m的單跨懸索橋,西橋塔與東橋塔的高度(承臺底到塔頂)分別為137.7 m與178.7 m。從圖1可知,該大橋跨度大、橋塔高,結(jié)構(gòu)較為柔性,對風(fēng)的作用非常敏感,橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能應(yīng)為該橋設(shè)計的控制性因素。此外,該橋為典型的深切峽谷懸索橋,大橋垂直跨越峽谷,峽谷兩岸地勢陡峭,橫剖面呈V形,地形地貌復(fù)雜,風(fēng)特性差異較大。若僅基于相關(guān)規(guī)范或規(guī)定而不考慮橋址區(qū)地形的具體特征而確定橋梁的抗風(fēng)參數(shù),這將會導(dǎo)致較大的誤差,甚至?xí)霈F(xiàn)重大錯誤。根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》[9],該類型大橋的風(fēng)場參數(shù)可通過地形模型的CFD數(shù)值模擬的方法得到。筆者探索以該橋?qū)嶋H工程為背景,將Fluent應(yīng)用于本科生工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)課程實驗教學(xué)中。

圖1 大跨度懸索橋橋跨布置示意圖(單位：cm)

3 基于Fluent軟件的地形模型建模與數(shù)值計算

3.1 地形模型的建模

地形模型的建模是將橋址區(qū)的地形模型化,為在Fluent中計算作準(zhǔn)備。有兩種方法可供使用：

其一,利用設(shè)計方提供的橋址區(qū)周圍等高線的CAD圖形,通過第三方軟件(如Global Mapper)提取出三維坐標(biāo)點陣,然后采用Fluent的前處理軟件Gambit將該點陣直接生成橋址區(qū)地形的底面；

其二,在Google Earth等地圖軟件中,找到橋址區(qū)位置,直接提取出一定范圍內(nèi)的三維坐標(biāo)點陣,然后同樣采用Gambit軟件生成地形的底面。

一般來說,第一種方法的精度較高,但等高線的CAD資料不易獲取,而第二種方法的資料容易獲取,但地形高程的精度較低。在具體使用時,可視所提供的資料選取。本次建模利用第一種方法,選取的地形范圍為8 km×8 km區(qū)域,如圖2所示。圖中心線段為橋軸線。

圖2 橋址區(qū)地形數(shù)值分析模型圖

3.2 網(wǎng)格的劃分

當(dāng)橋址區(qū)地形模型建成后,通過選取適當(dāng)?shù)膮^(qū)域高度,就可以建立整個橋址區(qū)地形模型的數(shù)值分析區(qū)域。網(wǎng)格劃分時要仔細(xì)規(guī)劃,因為網(wǎng)格質(zhì)量對CFD計算精度和計算效率有重要影響。對于復(fù)雜的CFD問題,網(wǎng)格生成極為耗時,且極易出錯,生成網(wǎng)格的時間也較長。原則上,越重要、流動越復(fù)雜的區(qū)域,網(wǎng)格劃分應(yīng)越密。

為了滿足壁面邊界上的流動條件,第一層貼壁網(wǎng)格的高度不要過大,對于使用一般的壁面函數(shù),y+值要滿足30

此外,在高度上,第一層網(wǎng)格較密，為5 m。高度越高,網(wǎng)格逐漸變稀疏[11],最終劃分的網(wǎng)格約200萬個(見圖3)。

圖3 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖

3.3 邊界條件的定義

網(wǎng)格劃分完成后,就要定義邊界條件。在工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)中,常用的邊界條件為壁面(wall)條件、速度入口(velocity inlet)條件以及壓力出口(pressure out)條件。其中壁面條件用于限定流體和固體區(qū)域,默認(rèn)設(shè)置為無滑移邊界條件,在本模型中可用于模擬地形的底面。速度入口條件用于定義流動進(jìn)口處的速度等參數(shù),在本模型中可用于模擬來流條件。壓力出口條件用于定義流動出口的靜壓,在本模型中可用于模擬模型的出口條件。本模型的邊界條件定義如圖3所示,此時模擬來流方向垂直于橋軸線方向(風(fēng)向幾乎平行于橋位附近的河道,如圖2所示)。

3.4 數(shù)值計算

在進(jìn)行數(shù)值計算之前,要針對研究對象預(yù)先布置相應(yīng)的測點。對于本文的大跨度橋梁,為方便考察復(fù)雜地形橋址區(qū)的風(fēng)特性,沿主梁軸向均勻布置9個風(fēng)速觀測點,同時在主梁1/4跨、跨中及3/4跨處沿高度方向布置若干個風(fēng)速觀測點,沿主梁分布和垂直主梁分布的各風(fēng)速觀測點的位置如圖4所示，圖中H為高程值，x為主梁橫坐標(biāo)值。

圖4 風(fēng)速觀測點位置圖

在具體計算時,首先要確定計算類型為定常計算，還是非定常計算。

定常計算是指流場參數(shù)不隨時間變化的計算方法,反之則為非定常計算方法。一般來說,對于復(fù)雜地形區(qū)域的風(fēng)場計算,其風(fēng)場參數(shù)應(yīng)隨時間變化。考慮到目前只計算主梁跨中處的平均風(fēng)特性,由于主梁跨中離地較高,其平均風(fēng)速隨時間的變化應(yīng)不非常顯著,因此,現(xiàn)階段在本科生的實驗教學(xué)中可初步選用定常計算。定常計算也可大大加快計算速度。

其次,要選擇湍流模型。目前常用的湍流數(shù)值模擬方法包括兩大類：雷諾平均(RANS)方法和大渦模擬(LES)方法。簡言之,RANS方法對網(wǎng)格要求相對較低,計算效率較高,但精度一般；而LES方法對網(wǎng)格要求較高,網(wǎng)格數(shù)量較多,雖然計算效率較低,但計算精度很高。根據(jù)工程應(yīng)用和本科生實驗教學(xué)特點,在不涉及復(fù)雜的湍流理論下,建議采用RANS模型。

在RANS模型中,兼顧計算精度與計算效率,可推薦使用SSTk-ω湍流模型。對于本算例,在定義速度入口(velocity inlet)邊界條件時,其中平均風(fēng)速的風(fēng)剖面可參考已有研究[12],最終確定形式如式(1)所示,而湍流參數(shù)可參照規(guī)范中的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[9]。

(1)

式中H為高程值，V為入口處風(fēng)速值。

為進(jìn)一步提高計算精度,求解時壓力與速度耦合采用SIMPLEC算法,動量方程、湍動能方程和比耗散率方程均采用二階離散格式,采用入口邊界來流風(fēng)速對流場進(jìn)行初始化。在計算過程中監(jiān)視殘差變化并評價各觀測點在每個迭代步輸出的風(fēng)速值,當(dāng)殘差曲線不再下降且各觀測點的風(fēng)速值變化很小時,認(rèn)為整個流場求解收斂。

4 風(fēng)場數(shù)據(jù)分析

計算收斂后,可得到各風(fēng)速觀測點的風(fēng)速值,其中順橋向風(fēng)速、橫橋向風(fēng)速和豎向風(fēng)速分量分別用u、v、w表示；風(fēng)攻角對主梁抗風(fēng)性能有重要影響,本文定義風(fēng)攻角α= tan-1(w/|v|),其中正攻角代表上升氣流,負(fù)攻角代表下降氣流。經(jīng)過計算能得到的風(fēng)特性參數(shù)較多,在此只分析最基本、也是最具代表性的平均風(fēng)速、風(fēng)剖面以及風(fēng)攻角等參數(shù)。

圖5為平均風(fēng)速(指橫橋向風(fēng)速)和風(fēng)攻角沿橋軸向的分布情況。由圖可知,平均風(fēng)速沿橋軸向的分布并非一致,其值由西向東有逐漸增大的趨勢。總體上,風(fēng)攻角的變化與平均風(fēng)速有一定的負(fù)相關(guān)性,即其值由西向東有逐漸減小的趨勢。

圖5 橫橋向風(fēng)速與風(fēng)攻角沿橋軸向的分布

圖6為1/4跨、跨中和3/4跨處的平均風(fēng)速剖面。由圖可知,1/4跨、跨中處的風(fēng)速剖面均有拐點,風(fēng)速也相對較小,而3/4跨處的風(fēng)速剖面較為光滑,風(fēng)速值也較大。

圖6 沿主梁不同位置的風(fēng)速剖面

為解釋和確認(rèn)圖5和圖6中的結(jié)果,繪制了1/4跨、跨中和3/4跨處橫截面的平均風(fēng)速云圖(見圖7)。由圖可知,1/4跨、跨中處均處于前方山體的尾部分離流中,受氣流分離的影響,此兩處的風(fēng)剖面風(fēng)速較小,風(fēng)攻角較大；而對于3/4橋跨處,由于前方地形相對平坦,無明顯的氣流分離現(xiàn)象,從而使該處的風(fēng)速沿高度逐漸增大,風(fēng)攻角也較小。這也就清楚地解釋了圖5和圖6中的現(xiàn)象。

圖7 1/4橋跨、跨中及3/4橋跨橫截面的平均風(fēng)速云圖

通過以上數(shù)值模擬可知,處于峽谷中的橋梁,其風(fēng)速和風(fēng)攻角沿橋軸向并非一致,而是呈現(xiàn)一定的非均勻性,這與處于常規(guī)平坦均勻場地的橋址區(qū)風(fēng)場特性有顯著不同。同時,通過Fluent的可視化功能,可以察看氣流的流動,這有利于對流場機(jī)理的理解。

通過上述的分析和討論,可讓學(xué)生更深入地認(rèn)識復(fù)雜流動的機(jī)理,增強(qiáng)分析問題的能力,從而激發(fā)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

5 結(jié)語

針對工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)課程的本科實驗教學(xué),采用了計算流體動力學(xué)軟件Fluent為工具,通過一座實際的大跨度橋梁橋址區(qū)風(fēng)場分析,介紹了Fluent軟件的特點和面向橋梁抗風(fēng)分析的工程基礎(chǔ)資料的前期調(diào)查,闡述了基于Fluent軟件的地形模型建模與數(shù)值計算,最后計算分析了橋址區(qū)的風(fēng)場結(jié)果,并利用Fluent的可視化功能,對風(fēng)場結(jié)果進(jìn)行了解釋。

在教學(xué)實踐過程中,通過對本科生的教授與講解,發(fā)現(xiàn)學(xué)生從好奇轉(zhuǎn)而主動尋找資料書籍查閱。在建模時,從對軟件的熟悉到地形建模的完成,有助于學(xué)生動手能力的提高。在具體結(jié)合橋梁進(jìn)行風(fēng)場數(shù)值分析時,學(xué)生對橋梁抗風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)的選取有了進(jìn)一步的理解。更為重要的是,可以通過Fluent的可視化功能解釋風(fēng)場的機(jī)理,有利于對學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在整個教學(xué)過程中,學(xué)生普遍反映Fluent是一個很強(qiáng)大的工具,并表現(xiàn)出濃厚的學(xué)習(xí)興趣。部分學(xué)生表示在后續(xù)研究生學(xué)習(xí)中,將繼續(xù)學(xué)習(xí)Fluent和橋梁抗風(fēng)知識。這也反映出通過本課程的學(xué)習(xí),激發(fā)了本科生的創(chuàng)新能力和科研熱情。

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Application of Fluent in experimental teaching for wind resistant of engineering structures

Hu Peng, Han Yan

(School of Civil Engineering and Architecture,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410114,China)

This paper employed the computational fluid dynamics software Fluent to better carry out the undergraduate experimental teaching for wind resistant of engineering structures. Through analyzing the wind fields over a real long-span bridge site,the features of Fluent and the investigation of base engineering data for wind resistant of bridges are introduced first. Then the process of terrain modeling and numerical calculation based on the Fluent are presented. At last,the numerical results of wind fields over the bridge site are analyzed,and they are explicated by using the visualization function of the Fluent. From the experimental teaching,the undergraduates’ practical ability are improved in the process of modeling,and their innovative consciousness and ability aere also developed in the process of explicating the resulting data by using the visualization function of the Fluent.

wind resistant of engineering structures; experimental teaching; application of Fluent

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.035

2016-10-09 修改日期：2017-02-03

長沙理工大學(xué)教學(xué)改革研究項目(JG1555)

胡朋(1985—),男,湖北黃岡,博士,講師,碩士生導(dǎo)師,主要從事結(jié)構(gòu)風(fēng)工程方面的教學(xué)與研究工作.

E-mail：hupengmail@126.com

U442

A

1002-4956(2017)4-0138-05