風(fēng)嘴形式對(duì)橋梁斷面三分力系數(shù)影響的數(shù)值模擬

樊書文， 李永樂

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

現(xiàn)代橋梁工程不斷發(fā)展，橋梁的跨度和所在海拔高度一次又一次的突破記錄，所受到的風(fēng)荷載也越來越大。而由于相比于鈍體斷面，設(shè)置風(fēng)嘴的流線型斷面改善了斷面氣動(dòng)外形，使繞流的流態(tài)得到改善，提高了靜風(fēng)穩(wěn)定性[1-2]。自19世紀(jì)50年代末英國(guó)賽文橋開始，流線型鋼箱梁斷面出現(xiàn)在了大跨度橋梁的設(shè)計(jì)中，并逐漸占據(jù)了主要位置。當(dāng)橋梁斷面受到風(fēng)的作用時(shí)，氣流會(huì)產(chǎn)生旋渦，形成一個(gè)非常復(fù)雜的作用力，而這一復(fù)雜作用力可以通過構(gòu)件氣動(dòng)力系數(shù)來反映，構(gòu)件的氣動(dòng)力系數(shù)同時(shí)也是進(jìn)行橋梁各類風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算的重要參數(shù)。在流線型斷面設(shè)計(jì)的過程中，風(fēng)嘴的不同形式會(huì)對(duì)構(gòu)件氣動(dòng)力系數(shù)產(chǎn)生一定的影響，因此對(duì)不同風(fēng)嘴形狀的斷面氣動(dòng)力系數(shù)的研究顯得較為重要。在工程應(yīng)用中，改變風(fēng)嘴的形狀主要通過風(fēng)嘴角度和位置的變化來實(shí)現(xiàn)。

1　典型斷面幾何參數(shù)確定

實(shí)際橋梁工程中的橋梁斷面形式各異，且橋梁主體還安裝有一些具體的附屬設(shè)施(如路燈、護(hù)欄、檢修通道等)，如果用實(shí)際的橋梁斷面來研究氣動(dòng)干擾效應(yīng)規(guī)律，會(huì)使得研究過程過于復(fù)雜，且研究結(jié)果不具有一般性，難以推廣。因此本文對(duì)實(shí)際橋梁斷面以其特征尺寸為主要參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，分析風(fēng)嘴形狀對(duì)斷面氣動(dòng)力系數(shù)影響的規(guī)律。

從目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)寬高比為5∶1的橋斷面進(jìn)行了相應(yīng)的氣動(dòng)性能研究[3-8]。故本文也采用寬高比為5∶1典型斷面，模型寬度為B=600 mm(流線型斷面不計(jì)入風(fēng)嘴的寬度)，高為H=120 mm，具體尺寸見圖1。針對(duì)這些斷面進(jìn)行風(fēng)嘴形狀對(duì)斷面氣動(dòng)力系數(shù)影響的研究，風(fēng)嘴角度θ=20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和風(fēng)嘴的位置m/n=1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0共18種計(jì)算工況。

圖1 　典型斷面幾何參數(shù) (單位: mm)

2　計(jì)算區(qū)域設(shè)置及網(wǎng)格劃分

采用FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，選擇壓力基求解器，RANS湍流模型中的SSTk-ω湍流模型，和傳統(tǒng)的k-ε湍流模型相比更適應(yīng)于具有逆壓梯度流動(dòng)或分離流動(dòng)的情況[9]。故本文所做計(jì)算均采用SSTk-ω湍流模型進(jìn)行求解。壓力與速度耦合方式采用SIMPLEC方法，采用二階迎風(fēng)離散格式求解速度分量與對(duì)流項(xiàng)，時(shí)間步長(zhǎng)為0.005 s，步長(zhǎng)迭代次數(shù)為20次。

圖2　斷面計(jì)算域與網(wǎng)格

3　斷面三分力系數(shù)計(jì)算結(jié)果及分析

3.1　氣動(dòng)力系數(shù)

對(duì)于二維繞流，作用在結(jié)構(gòu)上的氣動(dòng)力系數(shù)定義為：

式中:ρ為空氣的密度；V0為來流平均風(fēng)速( m/s)；B為斷面寬度；D為斷面高度；FD、FL和FM分別為作用在斷面上的升力、阻力和扭矩；CD、CL和CM分別是阻力系數(shù)、升力系數(shù)、升力矩系數(shù)。

3.2　風(fēng)嘴角度的影響

圖3為斷面三分力系數(shù)隨著7種不同風(fēng)嘴角度的變化曲線。從圖3(a)可以看出，升力系數(shù)均值隨著風(fēng)嘴角度的增大沒有明顯的變化規(guī)律，且其值都接近于0，這是斷面的氣動(dòng)外形的原因。由于斷面為對(duì)稱截面，上下兩面氣流通過時(shí)經(jīng)過的路程一樣遠(yuǎn)，故上方氣流的流動(dòng)速度和下方氣流的流動(dòng)速度相同，導(dǎo)致頂板處平均壓強(qiáng)和底板處平均壓強(qiáng)相同，所以升力接近于0。阻力系數(shù)均值隨著風(fēng)嘴角度的增大整體呈現(xiàn)正斜率，其值始終是正值，從0.110 2逐漸增大到0.460 3處，前后壓差增大。力矩系數(shù)均值大體上隨著風(fēng)嘴角度的增加而遞增。

圖3　斷面三分力系數(shù)與風(fēng)嘴角度的關(guān)系

從圖3(d)可以看出，三分力系數(shù)的根方差均在風(fēng)嘴角度為50°時(shí)達(dá)到最大值，而在其它風(fēng)角度時(shí)其值基本不變且趨于0。

3.3　風(fēng)嘴位置的影響

圖4為斷面三分力系數(shù)隨著不同風(fēng)嘴位置的變化曲線。從圖4(a)可以看出，升力系數(shù)均值隨著風(fēng)嘴位置m/n的比值的增加總體上趨于下降的趨勢(shì)。這是由于隨著風(fēng)嘴位置m/n的比值的增加，下方氣流所流經(jīng)距離大于上方氣流所流經(jīng)距離，故下方氣流的流動(dòng)速度比上方氣流的流動(dòng)速度要大，導(dǎo)致低板處平均壓強(qiáng)逐漸大于頂板處平均壓強(qiáng)，所以升力逐漸由正值變?yōu)樨?fù)值。當(dāng)m/n=2.0的時(shí)候升力系數(shù)由正值變?yōu)榱素?fù)值且出現(xiàn)極值，此后到m/n=2.4其值有略微上升，之后下降，但總體上變化量并不大。阻力系數(shù)均值隨著風(fēng)嘴位置m/n的比值的增加而增加，增加幅度不大，其值始終是正值，當(dāng)m/n=2.0時(shí)，出現(xiàn)極值。升力矩系數(shù)均值隨著風(fēng)嘴位置m/n的比值的變化無明顯變化規(guī)律，其方向有順時(shí)針也有逆時(shí)針，當(dāng)m/n=2.4時(shí)，力矩系數(shù)均值達(dá)到最大，且其方向?yàn)檎?逆時(shí)針)。

從圖4(d)可以看出，三分力系數(shù)的根方差隨風(fēng)嘴位置m/n的比值的變化與隨風(fēng)嘴角度變化相似，三分力系數(shù)根方差均在風(fēng)嘴位置m/n=1.2時(shí)達(dá)到最大值，而在其它風(fēng)嘴位置時(shí)其值基本不變且趨于0。

圖4斷面三分力系數(shù)與風(fēng)嘴位置的關(guān)系

4　結(jié)論

通過對(duì)不同風(fēng)嘴形式的斷面進(jìn)行靜力氣動(dòng)力分析，得出結(jié)論如下:

(1)相比于矩形鈍體斷面，增加風(fēng)嘴可以明顯減小阻力系數(shù)，流線形斷面所受阻力遠(yuǎn)低于矩形斷面。

(2)受風(fēng)嘴角度的影響，升力系數(shù)在風(fēng)嘴角度為50°時(shí)達(dá)到最大為0.000 5，在風(fēng)嘴角度為40°時(shí)達(dá)到最小為-0.003 2；阻力系數(shù)隨著風(fēng)嘴角度的增大而增大當(dāng)達(dá)到極限時(shí)，等于矩形斷面阻力系數(shù)；從整體上來看升力矩系數(shù)隨風(fēng)嘴角度的增大而增大，在風(fēng)嘴角度為60°時(shí)出現(xiàn)極小值；三分力系數(shù)的根方差均在風(fēng)嘴角度為50°時(shí)達(dá)到最大值，而在其它風(fēng)嘴角度時(shí)其值基本不變且趨于0。

(3)受風(fēng)嘴位置的影響，升力系數(shù)隨著風(fēng)嘴位置m/n的比值的增加總體上趨于下降的趨勢(shì)；阻力系數(shù)隨著風(fēng)嘴位置m/n的比值的增加而增加，且升力系數(shù)和阻力系數(shù)都在當(dāng)m/n=2.0時(shí)，出現(xiàn)極值；力矩系數(shù)隨著風(fēng)嘴位置m/n的比值的變化無明顯變化規(guī)律，當(dāng)m/n=2.4時(shí)，力矩系數(shù)達(dá)到最大；三分力系數(shù)根方差均在風(fēng)嘴位置m/n=1.2時(shí)最大，而在其它風(fēng)嘴位置時(shí)其值接近于0。