Numerical Simulation on Tri-component Force Coefficient of Bridge Section

应用数值模拟方法研究桥梁断面的雷诺数效应,采用计算流体力学(CFD)软件FIUENT中的3种不同的湍流模型,即标准κ-ε模型、雷诺应力方程模型及Spalart-Allmaras模型,对流线形桥梁断面的三分力系数随雷诺数的变化进行数值模拟计算,并将数值计算结果与高雷诺数风洞试验结果进行比较.计算结果表明:数值模拟结果与风洞试验结果非常接近,阻力系数的最大误差不超过4％;升力系数的计算结果比试验结果要大,相对误差不超过3％;当雷诺数小于6.0×105时,升力矩系数的计算结果比试验结果要小,雷诺数大于6.0×105时,升力矩系数的计算结果比试验结果大,计算误差不超过6％.研究进一步证实了流线型轿梁断面存在着三分力系数的雷诺数效应.对于流线型桥梁断面,宜采用标准κ-ε模型对其三分力系数进行数值模拟计算,计算结果能够符合精度要求.     

考虑雷诺数效应的桥梁静风稳定分析

在综合考虑结构几何非线性和静风荷载非线性的基础上,引用大跨度桥梁非线性静风稳定分析理论,采用增量双重迭代搜索法对大跨度斜拉桥进行了非线性静风稳定分析,并编制了相应的计算程序。分别计算了苏通大桥在低、高雷诺数下的空气静力稳定性。对比计算结果发现,雷诺数效应对桥梁静风失稳临界风速有较大影响,高雷诺数下的静风失稳临界风速比低雷诺数的静风失稳临界风速低,并结合高、低雷诺数下三分力系数曲线形状差异,分析了在雷诺数效应下桥梁跨中断面侧向位移、竖向位移、转角响应随风速的变化。     

闭口箱形主梁断面三分力系数二维大涡模拟

采用二维大涡模拟方法对雷诺数为Re =3.73×105的某大跨度斜拉桥主梁断面成桥状态和施工状态三分力系数进行了数值模拟,并与风洞试验结果进行了对比;在此基础上针对防撞护栏对桥梁主梁断面的三分力系数的影响进行了数值模拟和试验研究.结果显示:该桥主梁断面成桥状态、施工状态三分力系数数值模拟结果与风洞试验结果吻合良好.风攻...     

雷诺数对桥梁断面表面压力分布影响

桥梁断面表面压力系数、最小压力系数等是桥梁断面重要的参数。表面压力分布对断面的气动特性有着重要的影响。测量不同雷诺数下断面压力,研究了雷诺数对表面压力分布、上下表面最小压力系数的影响,讨论了尾流区压力系数随雷诺数变化规律与阻力系数雷诺数效应的内在联系。     

斜拉桥风致响应的雷诺数效应

为研究主梁三分力系数雷诺数效应对斜拉桥的静风响应及抖振响应的影响,分别采用大、小2种比例主梁节段模型的风洞试验测得主梁三分力系数;并用结构有限元方法,以苏通大桥为背景,分析了高雷诺数和低雷诺数时斜拉桥的静风响应和抖振响应.研究结果表明:雷诺数效应对斜拉桥抖振效应有不可忽略的影响;忽略主梁雷诺数效应的斜拉桥静风响应和抖振响应分析可能会导致偏危险的结果.     

双边钢箱钢-混组合梁静力三分力系数分析

抗风性能是桥梁设计中的要点,主梁断面静力三分力系数分析是斜拉桥抗风研究的基础,但未见双边钢箱钢-混组合梁断面的相关研究。文中基于计算流体动力学(CFD)技术,对某黄河特大桥主梁断面静力三分力系数开展研究,分析CFD模拟时不同网格精度对静力三分力系数的影响。结果表明,采用CFD技术可有效识别斜拉桥的主梁静力三分力系数;仅改变网格精度,三分力系数变化不明显,阻力系数呈现变小态势,升力系数和扭矩系数呈现变大态势,但计算效率大幅降低。     

桥梁断面静三分力系数的CFD计算分析

利用流体分析软件Fluent计算了不同桥梁断面型式在中等雷诺数时和不同攻角下的阻力系数和升力系数。文中选用6类不同桥梁断面型式进行了计算分析。通过计算得出的阻力、升力系数随攻角的变化对比以及风场压力云图直观反映,初步分析了各类断面在静风作用下三分力系数值的特性。计算结果表明,钝体断面其阻力系数的变化形式相似,而上下不对称开口会造成其升力系数的变化;而流线型断面,其阻力系数与钝体断面截然不同,与攻角有直接的关系,实际应用需要多注意。     

模型长宽比与二元端板对桥梁节段模型风洞试验影响研究

为寻求合理的模型长宽比、二元端板形式,减小这些参数对桥梁节段模型风洞试验的影响,制作流线型与钝体2种断面主梁节段模型,在风洞实验室对节段模型进行测力与测压试验,分析这些参数变化对三分力系数等结果的影响。试验结果表明:建议节段模型的长宽比大于2∶1且小于4∶1,以保证三分力系数的稳定性和可靠性,同时使节段模型具有较好的展向相关性;尽可能选择较大的二元端板,条件受限时二元端板的宽度与主梁宽度之比大于1.4,以使模型端部较好地实现二元流动特性,降低其对三分力系数的影响;流线型断面主梁节段模型较钝体断面的易受二元端板形式的影响;三分力系数对二元端板的敏感程度明显小于对节段模型长宽比的敏感程度。     

节段模型长宽比对风洞测力试验及计算分析的影响

为提高风洞试验数据的可靠性、了解节段模型端部效应对试验结果的影响,通过风洞试验与数值模拟相结合的方法针对典型桥梁断面制作多组不同长宽比的节段模型研究了节段模型长宽比对三分力系数的影响。利用不同长宽比节段模型试验得到的三分力系数,分析三分力试验误差对静风稳定性及抖振响应的影响。为进一步扩大模型长宽比的研究范围,借助了CFD方法重现风洞试验,在保证数值模拟精度的前提下开展了多个长宽比模型的气动力与流场分析,系统总结不同长宽比模型端部效应的影响规律。分析结果表明:为保证测力试验结果的精度和稳定性,节段模型长宽比建议大于等于3,对于流线型箱梁断面,可以适当放宽要求,节段模型长宽比应大于等于2;当长宽比小于建议值,得到的静风稳定结果和抖振响应结果偏危险,长宽比越小,偏差越大;流线型箱梁阻力系数单侧"影响区"的量纲一的长度约1,升力矩系数单侧"影响区"量纲一的长度约为0.6,升力系数的单侧"影响区"量纲一的长度明显远大于其他气动力系数。流线型断面顶板、底板的压力分布对长宽比的变化较为敏感,上、下游侧斜腹板的压力分布受长宽比的影响较小。     

既有桥梁对新建斜拉桥主梁气动干扰效应的试验研究

为研究既有桥梁对新建斜拉桥主梁的气动干扰效应,以京珠高速改扩建汉江特大桥为背景,进行节段模型测力风洞试验。按1∶50缩尺比制作主梁节段缩尺模型,研究既有桥梁与新建斜拉桥相对位置关系、桥梁间距及风攻角对新建斜拉桥主梁三分力系数的影响。结果表明：既有桥梁对新建桥梁具有明显的气动干扰效应。既有桥梁在上游时,存在明显的遮挡效应,新建桥梁阻力系数整体显著减小;既有桥梁在下游时,新建桥梁阻力系数在正攻角范围内显著减小。升力系数受既有桥梁影响,绝对值整体减小,正攻角时既有桥梁在下游减小更显著。在正攻角范围内,既有桥梁在上游时新建桥梁升力矩系数增大,在下游时则整体减小;在负攻角范围内反之。桥梁间距对阻力系数气动干扰效应的影响突出,间距越大既有桥梁对新建桥梁阻力系数的气动干扰效应相对越小,对升力系数和升力矩系数气动干扰效应的影响较小。     

紊流影响下车-桥系统气动力特性风洞试验

为了研究横风作用下紊流参数对车-桥系统气动力特性的影响，以典型32 m简支梁桥和CRH2列车头车为背景，首先根据阻塞比要求设计几何缩尺比为1：25的桥梁和列车测压试验模型；然后通过在风洞试验段入口处采用"格栅条"被动紊流发生装置，模拟一系列紊流风场；最后开展不同工况下车-桥组合风洞动态测压试验，测试列车和桥梁表面风压，并积分获得列车和桥梁气动力。基于此，分析了双线轨道不同位置下，顺风向紊流度、紊流积分尺度对列车表面风压和车-桥气动力分布的影响规律，并讨论了风攻角对车-桥气动力系数的影响。结果表明：列车表面平均风压系数随紊流度的增加而减小，紊流风场中列车和桥梁气动侧力（阻力）系数均小于均匀流场；紊流度对迎风侧轨道列车的影响更为显著，而对车头气动力特性影响较小，车身侧力（阻力）系数随紊流度增加而显著降低，升力系数和力矩系数随紊流度的变化规律并不显著；桥梁气动力系数对紊流度变化的敏感程度小于列车，其侧力（阻力）系数并非随紊流度的增大而单调减小，升力系数随紊流度增加而增大，力矩系数随紊流度的变化规律并不明显；车-桥气动力系数受紊流积分尺度的影响小于紊流度，桥梁侧力（阻力）系数受影响程度大于升力系数和力矩系数；列车位于背风侧轨道时，车-桥气动力系数随紊流积分尺度变化的敏感程度小于列车位于迎风侧轨道；风攻角和紊流参数对车-桥气动力特性的影响是相互独立的，且受列车路线布置方式影响不大。研究结果为紊流风场下的行车安全性提供了数据和资料。     

双幅并行连续刚构桥箱梁断面三分力系数气动干扰效应数值模拟

以咸阳至旬邑高速公路三水河连续刚构桥箱梁桥为依托,采用CFD软件FLUENT计算了主梁跨中及支点断面在不同风攻角、双幅桥间距及有无护栏情况下的风阻力系数,并与相同条件下的单幅桥进行对比,研究了双幅桥风阻力气动干扰效应。结果表明：气动干扰效应对双幅桥风荷载均有影响,总体上随双幅桥间距减小而增大,随结构尺寸增大而增大,而随风攻角的变化规律不明显;上游桥阻力系数干扰因子为0．994～1．147,略大于1或在1附近变化,表明气动干扰效应对上游桥的阻力系数影响较小;下游桥阻力系数干扰因子为-0．356—0．973,变化范围很大,表明气动干扰效应对下游桥的阻力系数影响很大,双幅桥间距较小时来流风对下游桥的作用甚至表现为吸力。     

钢桁梁桥上列车双车交会气动特性风洞试验

为探究横风作用下钢桁梁桥上列车双车交会过程中气动力系数的突变机理,以某一大跨度公铁两用钢桁梁桥为背景,首先根据XNJD-3风洞实验室的尺寸设计了一套移动车辆模型试验系统;然后根据风洞阻塞比的要求设计了几何缩尺比为1∶30的桥梁和车辆试验模型;最后测试了横风作用下桥上列车交会过程中移动车辆模型的气动力。为尽可能地降低试验系统对运动车辆气动力的干扰,对原始时程数据进行了低通滤波处理,并分析了车速、风速、合成风向角、车辆所在轨道位置等因素对车辆气动力系数的影响。试验结果表明：双车交会时,背风侧运动车辆的气动力系数具有明显的突变趋势,迎风侧运动车辆的气动力系数变化较为平稳;列车交会时突变区域主要受运动车辆引起的列车风速的影响,且随车速的增加而增大,横风风速对突变区域影响较小;交会过程中背风侧车辆升力系数和侧向力系数的突变量随合成风向角的增大呈增大趋势,力矩系数突变量对合成风向角的变化不敏感;横桥向列车所处轨道位置影响其气动力系数。试验结果可为研究横风作用下高速列车-桥上交会过程的行车安全提供数据支持。     

桥塔遮风效应对移动列车气动参数及行车安全的影响

为研究桥塔遮风效应对移动列车气动参数的影响，以沪通长江大桥这一钢桁梁斜拉桥为背景，基于移动列车模型试验装置，设计了缩尺比均为1：30的桁梁、桥塔和CRH3列车模型，依托XNJD-3风洞实验室进行了一系列试验。基于测试结果，分析列车通过桥塔区域时车速、风速以及合成风向角对列车气动参数的影响，并利用风-车-线-桥耦合振动模型分析了桥塔处气动参数突变对CRH3列车行车安全的影响。研究结果表明：桥塔遮风效应对移动列车影响显著，车辆气动参数在桥塔区域呈现突变的现象，升力系数和阻力系数经历了先减小后增大的过程，力矩系数则先增大后减小；风速越低，气动参数曲线在桥塔处的突变程度越大；气动参数曲线的突变宽度远大于桥塔自身的宽度，且车速越高突变宽度越大；合成风向角越小，列车气动参数在桥塔区域的变化越显著；列车离开桥塔区域时，桥塔尾流会造成升力系数和阻力系数局部增大；在考虑桥塔遮风效应的情况下，列车车体加速度在桥塔区域急剧增大，当列车远离桥塔区域时又逐渐减小；桥塔遮风效应会威胁列车的行车安全，未考虑桥塔遮风效应的分析结果是偏不安全的。     

考虑波面影响的海上栈桥构件气动特性试验研究

为研究海上栈桥构件在波面影响下的气动特性,现通过进行考虑波浪面气动干扰作用下,栈桥构件风洞测压试验,得到了栈桥构件在不同波浪条件下的气动力系数影响规律。试验结果表明:平行短边传播波浪对结构气动力系数影响大于平行长边传播波浪,且位于平行短边传播波浪的背风侧波腰时,波面气动干扰会使阻力、升力及扭矩系数均降低;平行短边传播波浪在90°风向角位置,对阻力系数的降低作用由波峰到波谷依次增强,在波峰处的部分风向角中,气动力系数较无波浪有所增大。     

圆柱结构涡激共振耦合效应及其抗风设计参数

为了解决亚临界区圆形断面细长结构涡激共振抗风设计参数取值不明确的问题,针对土木工程领域小直径圆形细长结构在亚临界区的涡激共振现象,对其涡激共振耦合效应进行了研究,获得其抗风设计的主要气动力参数。采用弹性悬挂节断模型风洞试验,模型两侧采用斜置上下不等刚度的弹簧提供三自由度的振动模型,试验风速对应的雷诺数区位于亚临界雷诺数区,分别测试风速增大和减小2种状态下模型的涡激共振,试验采用激光位移计和压力扫描阀同步测试模型振动位移和表面风压,通过分析位移和风压之间的关系,揭示涡激共振发生的耦合状态,并基于涡激共振抗风设计的要求,给出涡激共振锁定区间、气动力系数等抗风设计参数。结果表明：风速增大和减小2种状态下,涡激共振的耦合状态不同,风速增大过程中锁定区间更长;在锁定区间内存在强耦合和弱耦合2种机理的耦合状态,强耦合状态下的升力系数标准差和平均阻力系数值更大,旋涡脱落频率更强,气动力和流场的波动也更强;基于此,建议在对亚临界区的圆形断面结构进行涡激共振设计时,锁定区间为1.0~1.3倍起振风速,其中1.0~1.1倍起振风速范围内按照强耦合状态设计并考虑由耦合效应引起的气动力增强,1.1~1.3倍起振风速范围内按照弱耦合状态设计。     

横风下π型断面大跨桥上汽车气动特性风洞试验（双语出版）

准确获得车-桥系统气动力是评估强风作用下桥上车辆运行安全性和舒适性的基本前提，为此必须考虑车辆与桥梁间存在的显著气动相互干扰。以山区大跨桥梁常见的π型断面主梁和集装箱货车为研究对象，设计并制作了1：32几何缩尺比的桥梁和车辆刚性测压模型，通过风洞试验测试了典型车-桥组合工况下车辆表面的风压分布，分析了前、后车辆干扰作用、车辆横向距离和车道组合方式等对桥上汽车气动特性的影响，并进一步分析汽车表面的风压值分布，以探究汽车气动力系数变化的机理。研究结果表明：前、后车辆间的干扰、车辆横向距离的改变对汽车的侧向力系数、阻力系数和升力系数均有较大影响，但对汽车的力矩系数影响较小，且汽车的力矩系数具有一定的离散性；车道组合方式中测试车辆位置的改变对汽车气动特性的影响大于干扰车辆位置的改变对汽车气动特性的影响，且车辆组合方式的改变对汽车的力矩系数基本没有影响；受桥梁π型主梁断面的影响，汽车侧向力系数的变化趋势与Coleman规律下的变化趋势不同。     

表面损伤斜拉索雷诺数临界区气动力与流场分析

斜拉索由于具有自身质量轻、结构刚度差、结构阻尼小和自身长细比大的特点，极容易发生风（雨）致振动，对桥梁结构的安全性能产生很大的影响，而斜拉索作为斜拉桥的重要受力构件，准确掌握其风荷载对于桥梁抗风设计具有重要意义，特别是斜拉索在生产、运输和安装过程中表面可能受到损伤，该斜拉索在临界雷诺数区的气动力特性和流场特性更是值得研究的问题。针对此种状况，通过同步测力风洞试验，对表面无损伤斜拉索模型和表面损伤斜拉索模型在不同风攻角下的升力系数进行时程分析，得到边界层转捩的3个区域；将升力系数时程进行快速傅里叶变换计算得到升力时程频谱图，并通过频谱图分析随机信号的频域特征；对比从雷诺数亚临界、临界到超临界区表面无损伤和表面损伤斜拉索的流场变化，并从周围流场变化的角度分析雷诺数临界区斜拉索气动稳定性及可能的机理。研究结果表明：表面无损伤和表面损伤模型的升力系数随雷诺数的变化规律基本一致，二者的升力时程在TrBL0向TrBL1阶段和TrBL1向TrBL2阶段过渡过程中会出现双稳态现象，损伤会影响斜拉索尾流区旋涡脱落的情况，进而对不同雷诺数下的Strouhal数值变化产生一定的影响。     

汽车风洞试验中的雷诺数、阻塞和边界层效应问题综述

对汽车风洞试验中的雷诺数、阻塞和边界层效应进行了分析并得出若干结论:首先,采用缩比模型时,雷诺数将对气动力测量产生影响,雷诺数过低通常会使阻力系数测量值偏大约1%～2%,而更低的局部雷诺数甚至会改变局部气流特性;其次,有限的风洞尺寸必然产生阻塞效应,它影响气动力和试验参考风速的测量,但可以通过适当的经验方法和合理的标定程序进行修正;最后,风洞固定地板产生的边界层会干扰车辆底部和车轮附近的气流.如果没有任何边界层控制措施,气动阻力测量值会偏小,而升力测量值偏大;且底盘越低误差越大,因此须采取合理的控制方案以降低边界层对气动力测量的影响.