基于CFD桥梁典型断面三分力系数差异分析

摘要

在桥梁抗风研究中,三分力系数是影响桥梁抗风分析精度的重要参数。迄今为止,测试桥梁气动稳定的最根本的方法仍然是风洞试验。但是实验研究一般具有周期长、试验费用高、以及流动可视化困难等缺点。计算流体动力学方法的发展给风工程研究提供了一种可能替代物理风洞试验的数值手段,虽然CFD方法还不能完全取代风洞试验,但已经成为研究风对大跨度桥梁作用的一种重要手段。
　　 本文首先介绍了流体力学的控制方程、常用的有限差分理论以及流场的SIMPLE算法的基本原理和步骤。以厦漳跨海大桥北汊桥为工程背景,应用常用的标准k-ε和标准SST两种湍流模型,数值模拟不同攻角下主梁断面的三分力系数,提取计算结果与试验值进行对比,给出了主梁断面周围流场的压强与速度分布图。对比结果显示,用标准k-ε湍流模型数值模拟的结果与风洞试验值吻合的比较好,同时进一步验证了CFD能够较为精确的数值模拟主梁断面的三分力系数以及显示流体流动方面的优越性。
　　 运用CFD进一步研究大跨径桥梁典型断面因截面形式的不同、是否考虑附属设施,三分力系数存在的差异。分析了流线型断面中央开槽率对三分力系数的影响、Π型断面梁肋位置对三分力系数的影响以及分离式双边箱梁不同流线程度对三分力系数的影响。数值模拟与推荐的阻力系数值对比,对其差异进行定量分析。旨为大跨度桥梁设计选型,特别是工程可行性研究阶段的选型计算提供较为准确的风阻系数选取依据(参考)。