在管道模型上设置金属丝模拟悬索管道桥抗风特性的方法

摘要

本发明涉及一种在管道模型上设置金属丝模拟悬索管道桥抗风特性的方法，属于悬索管道桥抗风技术领域。所述方法包括：根据管道模型的CFD分析模型的分析结果提取管道模型的阻力系数CD1，初步设定金属丝间距的范围；在管道模型外壁纵向设置金属丝，将设置金属丝的管道模型进行风洞试验，获取所述管道模型的阻力系数CD2；列出所述阻力系数CD2随所述金属丝间距的变化曲线，当所述阻力系数CD2随所述金属丝间距变化最小时，最终确定金属丝的标准间距；根据所述标准间距设置金属丝，并将所述设置金属丝的管道模型架设在悬索管道桥模型上进行风洞试验。本发明中金属丝的设置比较简单，便于试验操作，提高了悬索管道桥的风洞试验模拟精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在管道模型上设置金属丝模拟悬索管道桥抗风特性的方法，属于悬索管道桥抗风技术领域。

背景技术

在油气管道的建设中，常用悬索管道桥来跨越河流和峡谷。与普通的公路悬索桥相比，悬索管道桥的窄柔特性明显，是典型的风敏结构。在悬索管道桥的工程设计中，抗风设计是其重要组成部分。目前的抗风设计均以悬索管道桥的风洞试验为支撑。受风洞实验室大小的限制，目前的多数试验均为缩尺的悬索管道桥节段模型风洞试验。大量的研究结果表明，风洞试验的结果存在很大的雷诺数效应。所谓雷诺数其定义为来流风速和特征尺寸的乘积与运动粘性系数的比值，反映的是空气团所受到的惯性力和粘性力的比值。雷诺数是桥梁风洞试验中的一个重要参数，雷诺数效应指的是随着雷诺数的变化，静力阻力系数等也随之变化。模型缩尺后，其进行风洞试验时的雷诺数与原型存在较大差距，缩尺后，雷诺数降低，试验得出的阻力系数随之变化。从而导致风洞试验的结果不能反映出真实的情况。

发明内容

为了解决这一问题，本发明的目的在于提供一种在管道模型上设置金属丝模拟悬索管道桥抗风特性的方法，通过设置金属丝，改变悬索管道桥模型中管道模型的表面流场，从而使试验得出的悬索管道桥气动参数更符合真实情况。本发明适用于悬索管道桥的风洞试验，为悬索管道桥的抗风设计提供有力的试验技术支撑。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种在管道模型上设置金属丝模拟悬索管道桥抗风特性的方法，包括以下步骤：

步骤1，建立一组单一管道模型的CFD分析模型，将管道模型外壁纵向设置金属丝，根据所述CFD分析模型的分析结果提取所述管道模型的阻力系数C_D1，根据所述阻力系数C_D1随所述金属丝间距的变化曲线，当所述阻力系数C_D1的变化率随所述金属丝间距变化最小时，初步设定所述金属丝间距的范围；

步骤2，根据步骤1中初步设定的所述金属丝间距的范围，在所述管道模型外壁纵向设置金属丝，将所述设置金属丝的管道模型进行风洞试验的单一管道模型的静力试验，获取所述管道模型的阻力系数C_D2；

步骤3，列出所述阻力系数C_D2随所述金属丝间距的变化曲线，当所述阻力系数C_D2随所述金属丝间距变化最小时，最终确定金属丝的标准间距；

步骤4，根据步骤3所述的标准间距，在所述管道模型外壁纵向设置金属丝，并将所述设置金属丝的管道模型架设在悬索管道桥模型上进行风洞试验；

其中，所述管道模型架设在所述悬索管道桥模型的加劲梁横梁上的支座上；所述悬索管道桥模型包括两根主缆和两根风缆，若干条干扰缆将所述主缆和所述风缆连接起来，还有若干条干扰缆将两根主缆连接起来。

进一步的，步骤1中，所述金属丝的两端钩挂在所述管道模型的两端口处。

进一步的，所述金属丝为铜丝、铁丝、铝丝、镍丝、合金钢丝，优选的所述金属丝为铜丝。

进一步的，步骤1中初步设定的所述金属丝间距的范围为所述管道模型周长的1/4、1/6、1/8、1/10、1/12、1/14、1/16。

进一步的，所述金属丝的直径为所述管道模型直径的1/500～1/50。

进一步的，所述阻力系数C_D1由CFD软件分析得到。

进一步的，所述阻力系数C_D2由风洞试验得到。

本发明的有益效果为：

本发明提供了在管道模型上设置金属丝模拟悬索管道桥抗风特性的方法，在风洞试验中精确模拟悬索管道桥抗风特性。通过设置金属丝，使得悬索管道桥在风洞试验中气动参数的模拟精度得到了极大的提高，是悬索管道桥风洞试验技术的一次提升。本发明通过设置金属条纹，使风洞试验得出的悬索管道桥的气动参数更加符合真实的情况，为悬索管道桥的工程设计提供有力的支撑。另外，本发明中金属丝的设置比较简单，便于试验操作，能够取得较好的效果。

附图说明

图1为本发明所述设置金属丝的管道模型断面示意图；

图2为实施例中阻力系数C_D1随金属丝间距的变化曲线图；

图3为实施例中阻力系数C_D2随所述金属丝间距的变化曲线图；

图4为风洞试验得出的设置和未设置金属丝的管道模型的阻力系数对比曲线。

其中，1-管道模型，2-金属丝。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种在管道模型上设置金属丝模拟悬索管道桥抗风特性的方法，包括以下步骤：

步骤1，建立一组单一管道模型的CFD分析模型，将管道模型外壁纵向设置金属丝，根据所述CFD分析模型的分析结果提取所述管道模型的阻力系数C_D1，所述阻力系数C_D1由CFD分析软件得到。

如图2，为阻力系数C_D1随金属丝间距的变化曲线图，根据所述阻力系数C_D1随所述金属丝间距的变化曲线，当所述阻力系数C_D1的变化率随所述金属丝间距变化最小时，初步设定所述金属丝间距的范围，所述金属丝间距可为所述管道模型周长的1/4、1/5、1/6、1/7、1/8、1/9、1/10、1/11、1/12、1/13、1/14、1/15、1/16；其中，本实施例中，所述管道模型外径D为610mm。

所述金属丝可为铜丝、铁丝、铝丝、镍丝、合金钢丝，本实施例中所选用金属丝为铜丝。所述金属丝的直径为所述管道模型直径的1/500～1/50。

阻力系数是表征结构断面在平均风作用下受力大小的无量纲系数，反映了风对桥梁的定常气动作用。目前随着理论发展和计算机技术进步，很多时候采用CFD技术计算某些断面的阻力系数。但是计算结果往往与实际存在明显差距，因此必须进行风洞试验。

步骤2，根据步骤1中初步设定的所述金属丝间距的范围，在所述管道模型外壁纵向设置金属丝，将所述设置金属丝的管道模型进行风洞试验的单一管道模型的静力试验，获取所述管道模型的阻力系数C_D2。

步骤3，列出所述阻力系数C_D2随所述金属丝间距的变化曲线，如图3，当所述阻力系数C_D2随所述金属丝间距变化最小时，最终确定金属丝的标准间距。

图1为设置金属丝的管道模型断面示意图，如图中所示，1为管道模型，其外径为D，2为金属丝。本实施例中，确定所述金属丝的标准间距为D/12。

步骤4，根据步骤3所述的标准间距，在所述管道模型外壁纵向设置金属丝，并将所述设置金属丝的管道模型架设在悬索管道桥模型上进行风洞试验。其中，所述管道模型架设在所述悬索管道桥模型的加劲梁横梁上的支座上。

所述悬索管道桥模型包括两根主缆和两根风缆，若干条干扰缆将所述主缆和所述风缆连接起来，还有若干条干扰缆将两根主缆连接起来。

图4为风洞试验得出的设置和未设置金属丝的管道模型的阻力系数对比曲线。该管道模型的管径为610mm，金属丝的设置间距为管径的1/12。从图4可以看出，设置了金属丝之后，模型的阻力系数有了明显的下降。同时，之前的大量研究结果表明，在雷诺数相对较低的时候，随着雷诺数的增大，阻力系数会有一个急剧下降的过程。因此，从图4中可以看出设置了金属丝之后，阻力系数随雷诺数的变化趋势更加符合实际情况，图中Re为雷诺数。

本发明通过设置金属丝，使得悬索管道桥在风洞试验中气动参数的模拟精度得到了极大的提高，是悬索管道桥风洞试验技术的一次提升。本发明通过设置金属条纹，使风洞试验得出的悬索管道桥的气动参数更加符合真实的情况，为悬索管道桥的工程设计提供有力的支撑。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。