全風(fēng)向角下二維切角方形橋塔氣動(dòng)措施數(shù)值模擬

張亮亮 吳蕊恒 倪志軍 吳波

摘 要：采用SST K-ω湍流模型，對(duì)二維切角方形橋塔氣動(dòng)措施進(jìn)行了全風(fēng)向角下的CFD數(shù)值模擬研究，雷諾數(shù)為5×104。分析了添加氣動(dòng)措施對(duì)橋塔氣動(dòng)力系數(shù)、橫風(fēng)向氣動(dòng)力頻譜、斯托羅哈數(shù)的影響，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，二者吻合較好。研究結(jié)果表明，風(fēng)向角α≤25°，升力系數(shù)呈下降趨勢(shì)，添加翼板會(huì)顯著增大橋塔升力系數(shù);α>25°，升力系數(shù)呈上升趨勢(shì)，添加氣動(dòng)措施對(duì)橋塔升力系數(shù)沒(méi)有影響。添加氣動(dòng)措施后橋塔阻力系數(shù)會(huì)增大，最小阻力系數(shù)出現(xiàn)在5°～10°風(fēng)向角范圍內(nèi)。不同風(fēng)向角下的模型渦脫方式不同，包含的渦脫頻率也不同，漩渦脫落不一定是單純的正弦現(xiàn)象。添加氣動(dòng)措施會(huì)減小模型St數(shù)，最大St數(shù)出現(xiàn)在5°～15°風(fēng)向角之間。

關(guān)鍵詞：切角方形橋塔;湍流模型;氣動(dòng)措施;氣動(dòng)特性

中圖分類(lèi)號(hào)：U443.38

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：2096-6717（2019）02-0116-06

Abstract：Based on SST K-ω turbulent model， aerodynamic measures of 2D-corner-cutoff square cylinder were simulated under all yaw wind angles， at Re=5×104.The aerodynamic coefficient ， lift frequency spectrum， strouhal number were studied after adding aerodynamic measures，which showed good agreement with other experiment test. The research results show that when wind yaw angle α≤25°，the lift coefficients show a decreasing trend and increase greatly after adding fins;α>25°，The lift coefficients are on the rise and aerodynamic measures cant influence it. Drag coefficient increase after adding aerodynamic measures and the minimum of drag coefficient is at α=5～10°. Different vortex shedding pattern include different vortex-shedding frequency when the wind yaw angle is changing and vortex shedding isnt always simple harmonic wave. St number will diminish after adding aerodynamic measures and the maximum? St number is at α=5°～15°.

Keywords：2D-corner-cutoff square cylinder; turbulent model; aerodynamic measures; aerodynamic behavior

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，橋梁跨度越來(lái)越大，因而橋塔高度也越來(lái)越高，在自然風(fēng)作用下，橋塔越來(lái)越容易發(fā)生風(fēng)致振動(dòng)。尤其是鋼結(jié)構(gòu)橋塔，具有自重輕、阻尼小等特點(diǎn)，在較低風(fēng)速下可能產(chǎn)生較大振幅，這會(huì)嚴(yán)重影響橋梁使用壽命和結(jié)構(gòu)安全。因此，有必要對(duì)橋塔的氣動(dòng)措施進(jìn)行研究。

方形截面是橋塔基本截面之一，以往很多學(xué)者＼[1-5＼]詳細(xì)研究了方柱模型的氣動(dòng)力系數(shù)、風(fēng)壓分布規(guī)律、斯托羅哈數(shù)、尾流特性等。但在很多情況下，方形截面抗風(fēng)性能不能滿足實(shí)際抗風(fēng)需求。為提高橋塔抗風(fēng)性能，通常對(duì)方形截面做角部處理，Tamura等＼[6-7＼]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬方法研究了方柱切角和圓角處理氣動(dòng)特性的變化，結(jié)果表明，切角和圓角處理使模型尾流變窄，進(jìn)而減小方柱的阻力系數(shù)。王新榮等＼[8＼]對(duì)不同圓角和切角處理的方柱進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，雷諾數(shù)Re=1×105～4.8×105，結(jié)果表明，切角率≤15%的方柱，氣動(dòng)特性基本不隨雷諾數(shù)而改變。李永樂(lè)等＼[9＼]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)方法，對(duì)橋塔進(jìn)行了大縮尺比氣彈模型試驗(yàn)，研究了不同挖角方式對(duì)橋塔渦振及馳振性能的影響，并確定了最優(yōu)挖角方式。此外，還有學(xué)者＼[10-12＼]通過(guò)數(shù)值模擬或風(fēng)洞試驗(yàn)詳細(xì)研究了大跨橋梁橋塔的風(fēng)振性能。

適當(dāng)?shù)慕遣刻幚黼m然能改善橋塔抗風(fēng)性能，但在某些情況下仍不能抑制橋塔風(fēng)振，這時(shí)需要考慮添加其他氣動(dòng)措施。朱樂(lè)東等＼[13＼]采用多孔擾流板擾亂或削弱了橋塔兩側(cè)有規(guī)律的漩渦脫落，進(jìn)而顯著減小了杭州之江大橋鋼橋塔的渦振。對(duì)于添加氣動(dòng)措施后的橋塔，周?chē)鲌?chǎng)更加復(fù)雜，對(duì)橋塔氣動(dòng)措施的研究，目前多采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法。風(fēng)洞試驗(yàn)造價(jià)高、周期長(zhǎng)，而且很難顯示橋塔周?chē)鲌?chǎng)特性。筆者采用CFD數(shù)值模擬方法研究了全風(fēng)向角下切角方形橋塔切角部位增加垂直翼板（fins）和圓弧導(dǎo)流板（curved guided vane）對(duì)橋塔氣動(dòng)力系數(shù)、橫風(fēng)向氣動(dòng)力頻譜、斯托羅哈數(shù)的影響，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 控制方程及模型建立

1.1 控制方程

在直角坐標(biāo)系下，對(duì)二維不可壓黏性流體可用雷諾時(shí)均N-S方程描述。

式中：ul=ρCuk2/ε為湍流黏性系數(shù);Cu為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);k和ε分別為湍流動(dòng)能和耗散率，需要通過(guò)求解湍流模型方程來(lái)確定。

采用SST k-ω湍流模型，該模型綜合了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型，且比標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型有更高的精度和可信度＼[14＼]。