西江特大橋主纜內的流體動力學特征研究

黃晶

摘要：目前，主纜除濕系統設計中的主纜內空氣流動特征分析中對主纜內鋼絲粘接阻力系數及鋼絲間空隙率種類等對空氣流動的影響均未系統研究，對主纜內流動的空氣是否能填充主纜內部空間，并能形成穩定的流速，達到除濕干燥效果均未進行交叉驗證。本文利用CFD仿真軟件建立模型進行理論計算與實際工況的數據對比，從流體動力學特征的角度對主纜除濕效果進行驗證。

關鍵詞：主纜除濕;網格密度;工況壓力值;平均流速

本項目針對西江特大橋實際工況，進行1：1數值模型 CFD 模擬研究。通過建立多類型孔隙率1：1數值模型，由此獲得的主纜內粘接阻力及空隙率范圍等關鍵邊界條件再次進行交叉驗證。進一步研究主纜內流體動力學特征，同時為后續類型項目的系統設計給予工程指導。

1網格無關性驗證

網格無關性驗證又稱 Examining Spatial （Grid） Convergence，在 CFD領域中，通常指grid refinement study，即建立從粗到密的多套網格，用來分析CFD結果在不同網格密度下的結果變化。

1.1不同密度網格速度分布對比

CFD 模擬結果的取樣曲線和截平面位置見下圖。為了比較不同密度網格下的模擬結果精度，首先對AB段中截面直徑上的速度分布進行了對比。

由上圖可以看出，網格越密，主纜的邊界層越窄，且主纜的中心區域的速度越低。當網格數量多于2392740以后，中心區域的速度幾乎不發生變化;7635160網格和13073920網格對主纜邊界層的變化相差很小。

1.2不同密度網格壓力分布對比

網格密度越密時，AB 段中截面直徑上的壓力值越低，當網格密度大于7635160后，中截面處的壓力變化速度開始顯著降低。同時比較了 AC段中截面上的壓力分布云圖，可以看出該截面上整體壓力分布均勻，不同網格密度間的變化較小，計算結果都已經比較穩定。

此外，針對不同網格密度在 A 點入口處縱截面上的壓力分布，可以明顯看出，不同密度的網格在 A點入口附近的壓力分布區別非常明顯。粗網格在入口處具有一個很大范圍的高壓區，并且壓力梯度不明顯。而當網格密于7635160時，入口處的壓力分布已經幾乎沒有變化。

2 CFD 網格模型確定

通過對不同加密網格的流場，壓力場和湍動能的對比，可以明顯發現當網格總數小于200萬個時，即40萬個/百米時，網格數量明顯偏少，很難捕捉一些流體運動和壓力場變化的細節，從而使模擬結果失真;當網格總數處于200萬到700萬之間時，即40萬個/百米到140萬個/百米時，大部分流場和壓力場以及能夠較好的預測，但在一些局部細節依然有一定的誤差;當網格總數大于760萬時，即152萬個/百米時，除開整體壓降依然會以微小幅度增加外，其余各種流體和壓力場細節已經能夠良好的捕捉。

因此，在本項目中，當網格總數高于76萬個時，繼續加密網格將對模擬精度的影響較少。最終選定總網格數為7635160個，其最大網格尺度為0.059 m。

2.1工況數據與 CFD 數值對比分析

在本項目中，主纜的檢測點僅位于 A 和 B 處，CFD 模擬針對AB段中 E＼F＼G各處壓力分布。

（1）工況測試數據

本項目中，對點 A、B、C 進行了24小時的連續壓力檢測，其24小時連續壓力檢測結果。測點 A、B、C 的工況壓力平均值見表1。

（2）模擬與工況壓力數據對比

為了忽略 A 點起始壓力對整體壓降數據的影響，壓力模擬驗證中，AB 段中軸線壓降數據和工況點的壓降數據對比見下表。

模擬和工況壓差值最大 RD在4%左右，而RSD值最大不超過4%。本項目的模擬數值擬合在壓降預測方面具有較好的精度。

（3）模擬與理論計算平均速度對比

由于本項目實況中測量主纜內密集的鋼絲間的流體流動速度十分困難，將模擬 AB 段的中軸線上的流速與理論值進行對比。在模擬設定中，孔隙率為20.49%，而工況 A 點入口平均流量為83.875 m3/h，主纜截面直徑為0.988 m。則可計算出主纜內的無傾斜時的平均流速為0.0743 m/s。而當主纜傾斜時，下方的主纜內的氣流由于受到重力作用，其平均流速應該略大于0.0743 m/s。在接近 A 點的入口段的開始10 m 內主纜內中軸線速度從0.04 m/s 迅速上升到0.075/s，而當距離 A 點超過10 m 之后，主纜內中軸線速度開始趨于平穩，最后保持在0.078 m/s 左右。這與計算值0.0743 m/s 的相對誤差約為-4.74%

3結束語

經過整體比較，可以看出 CFD 模擬在擬合內部平均流速與理論計算主纜內部平均流速的相對誤差為-4.74%，低于5%。因而，可以認為CFD模擬對于擬合主纜內部平均流速具有較好的可靠性。

參考文獻：

[1]方超.西江特大橋主纜除濕防護系統設計[J].工程技術研究，2021，6（19）：165-167.

[2]馮薇，劉臣厚.采用CFD技術對某實驗樓室內自然通風進行模擬分析研究[J].中國設備工程，2021（24）：210-213.