不同雷诺数下桥梁断面三分力系数的研究

摘要

在桥梁抗风设计中，一般忽略雷诺数对桥梁断面静力三分力系数的影响。但随着桥梁向大跨、轻质方向发展，雷诺数对桥梁断面静力三分力系数的影响日渐突出，忽略雷诺数的影响会给桥梁抗风设计带来失真甚至危险的结果。因此，研究雷诺数对桥梁断面三分力系数的影响显得非常必要。
　　 目前研究雷诺数对桥梁断面三分力系数的影响的主要手段是风洞试验，研究方法比较成熟，但风洞试验费用很高，而且试验周期很长。随着计算机技术和计算流体力学方法的迅速发展，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)方法已经成为一种研究桥梁断面三分力系数的新手段——数值风洞。CFD方法可以按照实际尺寸进行计算，并且费用省、速度快、资料完备、具有模拟真实和理想条件的能力。
　　 本文以桥梁断面静力三分力系数为研究对象，运用计算流体力学方法，分析雷诺数对桥梁断面静力三分力系数的影响，得出了桥梁断面静力三分力系数随雷诺数的变化规律。
　　 （1）以金马大桥和苏通大桥为工程实例，分别采用三种不同湍流模型——标准k-ε模型、RNG k-ε模型和SST模型，对其桥梁断面的静力三分力系数进行CFD方法识别，与节段模型风洞试验的试验值进行对比分析，得出标准k-ε模型为桥梁断面静力三分力系数CFD方法数值识别的合理模型，并验证了CFD方法识别大跨度桥梁静力三分力系数的可行性和可靠性。
　　 （2）运用CFD方法研究圆形和矩形两种形状断面，在0°攻角下断面的静力三分力系数随雷诺数的变化规律，得出圆形断面阻力系数和升力系数随雷诺数的增加而减小；矩形断面的阻力系数和升力矩系数随雷诺数的增加而增大，升力系数随雷诺数的增加而减小。依此类推，雷诺数对其他形状桥梁断面也存在影响。在桥梁气动选型中，应当考虑雷诺数对不同形状断面静力三分力系数的影响。
　　 （3）运用CFD方法研究钝体主梁断面和流线型主梁断面，在0°攻角下主梁断面的静力三分力系数随雷诺数的变化规律，得出钝体主梁断面阻力系数和升力矩系数随雷诺数的增加而增大，升力系数随雷诺数的增加而减小；流线型主梁断面阻力系数、升力系数和升力矩系数均随雷诺数的增加而减小；在桥梁气动选型中，应当考虑雷诺数对不同类型主梁断面静力三分力系数的影响。
　　 （4）设计不同宽高比的三种流线型主梁断面，采用CFD方法研究了主梁宽高比对0°攻角下主梁断面基本特征的影响，得出主梁宽高比的变化对主梁流线型断面的基本特征并没有影响。
　　 本文的研究工作为桥梁断面形状和主梁类型的气动选型提供一定的借鉴作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

第二章 计算流体力学方法与原理

第三章 桥梁断面三分力系数CFD数值模拟

第四章 不同雷诺数下桥梁断面静力三分力系数CFD研究

第五章 结论与展望

参考文献

附录Ⅰ 攻读学位期间发表的论文

致 谢