喇叭口地形桥址强风特性风洞试验及CFD模拟研究

摘要

山区地形风场特性复杂，桥梁抗风已成为工程师备受关注的课题。关于内陆山区风效应研究资料甚少，现有的抗风规范也未对风场特性参数做出明确规定，有必要针对此类特殊地形风环境进行专门研究，为后期的风荷载和结构响应奠定基础。
　　特选取黄河喇叭口地形桥址区这一特殊位置，论述形成强风特性的原因，采用均匀流和B类风场两种来流开展地形风洞试验，分析对比此类地形条件下的平均风和脉动风特性参数的变化规律；运用ANSYS-FLUENT模块，选取Realizable k-ε湍流模型进行数值模拟，得到风环境绕流、风速场和湍流场分布情况；对比分析两种方法的研究结果，检验风洞试验和数值模拟的差异性，综合评判喇叭口地形桥址区强风特性风场分布规律；在收集桥址区附近气象站资料和相关学者的研究成果，总结并提出了4种计算基本风速的方法。
　　研究结果表明：喇叭口地形桥址区因风向角和测点位置不同，其平均风与脉动风特性发生了显著变化，计算结果值与现有规范差异较大；仅当风顺着河谷吹来时，风剖面符合传统模型，风速玫瑰图显示河谷中风速并未形成“加速效应”；湍流强度大多数符合随着高度增加而减小的规律；脉动风速功率谱在水平方向上，实测值与理论值相比在低频段偏低而高频段偏高，在竖直方向，谱频率随着高度增加有所减弱；风洞试验均匀流场风速值大于B类风场，但湍流强度值略小，相比之下B类风场的结果与规范值更为接近；最不利均匀流场下数值模拟计算的风速值和湍流强度值小于风洞试验值；经过最小二乘法拟合风速剖面指数，可归纳该桥址区地表类型为B类；偏安全考虑，本文提出的修正“抗风规范法”计算的基本风速值更为合理。

目录

1 绪论

1.1 本课题提出的背景

1.2 大气边界层自然风的特性

1.3 风环境的主要研究内容及方法

1.4 山区地形风环境的研究现状

1.5 本文研究的目的和具体工作

2 风环境研究的方法和理论基础

2.1 风洞试验研究

2.2 数值模拟基本原理

2.3 三维湍流数值模拟方法

2.4本章小结

3 桥址区风洞试验的风场特性研究和分析

3.1 桥址区的背景资料

3.2 风洞试验规划和布置

3.3 风特性参数分析

3.4 均匀流和B类风场风参数特性对比

3.5 本章小结

4 基于FLUENT软件的桥址区风环境数值模拟

4.1 Fluent软件基础介绍

4.2 计算模型的建立

4.3数值模拟计算结果分析

4.4 数值模拟计算结果与风洞试验对比分析

4.5 本章小结

5 喇叭口地形桥址区基本风速的确定

5.1 基本风速的研究基础和方法

5.2 桥址区地形条件下基本风速的确定

5.3 不同方法下基本风速的对比

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录