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禹门口黄河斜拉桥风环境数值模拟研究

张永胜  
【摘要】: 随着现代桥梁技术水平的不断提高,跨越大江大河甚至海峡的大桥不断涌现,这些大跨度桥梁必须要克服大自然风的作用,研究风对桥梁的作用产生了桥梁风工程学。其中,桥梁风环境研究是这门学科的重要组成部分。本文主要针对山西禹门口黄河斜拉桥,对其周围地形风场进行数值模拟研究,计算结果可为其结构设计及施工提供风荷载设计依据,同时也为在此类地形中的桥梁抗风设计提供参考资料。 目前桥梁风环境的研究方法包括:现场观测(包括气象台站)、风洞试验和数值模拟(数值风洞)计算等。前两种方法为物理手段,测试周期长,耗费大量人力和物力。“数值风洞”方法具有投资小、速度快、重复性好、不受模型尺度的影响、可进行全尺度模拟和条件易于控制等优点,比物理手段更自由、灵活,并能补充物理风洞试验的不足。“数值风洞”是建立在计算流体动力学理论基础之上,用流体计算软件进行分析的。 本文主要采用数值模拟与现场风特性观测结合对比的方法,来研究禹门口斜拉桥桥位风环境。用大型商用流体计算分析软件FLUENT6.2自带网格生成软件GAMBIT2.1建立桥位处地形地貌和斜拉桥的三维几何模型,调试网格并确定计算流域,选用合适边界条件和求解参数并编写UDF程序,选用改进的Realizableκ-ε湍流模型。另外为了探索更加合理的湍流模型,用SSTκ-ω模型计算分析其中两个工况。给出风速流线图、风速矢量图、桥面高度处的风速和湍流分布图、主梁表面风速矢量和压力等值线图,最后将数值模拟的桥位处风场特性和风观测统计结果进行对比分析。研究结论合理解释了山区平原结合处桥位风速剖面有时不符合指数律分布规律的问题、比较得出了禹门口大桥桥位所属的地表类别、给出了斜拉桥塔柱与桥面间的风速矢量分布图、证明了Realizableκ-ε湍流模型可以合理模拟此类风环境,SSTκ-ω湍流模型不适合模拟此类风环境。其中自编UDF程序对实验室以后的“数值风洞”研究具有实用价值。


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