CN112084560A - 一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法 - Google Patents

一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112084560A
CN112084560A CN202010941962.2A CN202010941962A CN112084560A CN 112084560 A CN112084560 A CN 112084560A CN 202010941962 A CN202010941962 A CN 202010941962A CN 112084560 A CN112084560 A CN 112084560A
Authority
CN
China
Prior art keywords
section
bluff body
body section
vortex
induced vibration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010941962.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112084560B (zh
Inventor
董国朝
许育升
韩艳
李春光
李凯
罗颖
胡朋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changsha University of Science and Technology
Original Assignee
Changsha University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changsha University of Science and Technology filed Critical Changsha University of Science and Technology
Priority to CN202010941962.2A priority Critical patent/CN112084560B/zh
Publication of CN112084560A publication Critical patent/CN112084560A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112084560B publication Critical patent/CN112084560B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/13—Architectural design, e.g. computer-aided architectural design [CAAD] related to design of buildings, bridges, landscapes, production plants or roads
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/04—Constraint-based CAD
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Bridges Or Land Bridges (AREA)

Abstract

本发明公开了一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，将网格文件和UDF二次开发程序导入Fluent软件中，在Fluent软件中，设置边界条件参数和求解参数，求解N‑S方程，提取钝体断面的升力和扭矩，再利用动力特性参数和钝体断面的升力和扭矩求解每个钝体断面的动力学方程，得到每个钝体断面的运动特性参数并赋值给对应的钝体断面及刚性域，使其运动，实现了二维钝体断面数值模型与流场的流固耦合，模拟了多幅桥面桥梁的涡激振动；UDF二次开发程序可以实现Fluent的并行运算，大大提高了计算效率；对流场的计算结果进一步处理可以得到多幅桥面桥梁的二维流场，为多幅桥面桥梁的涡激振动机理及气动干扰效应的分析提供了基础。

Description

一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法
技术领域
本发明属于桥梁抗风设计技术领域，尤其涉及一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法。
背景技术
近年来，随着交通量的日益增加，桥梁必须具有更宽的桥面和更多的车道才能满足通行需求。一般单幅桥梁的桥面宽度在40m左右，可容纳8个车道。实际工程为了进一步增大既有桥梁的通行能力，经常会在已建的桥梁附近新建一座类似桥梁，从而构成平行双幅桥面桥梁。另外，工程实践中双幅桥面的断面形式在大跨度连续梁桥和连续刚构桥也得到了较多的应用(可参考杨群等提出的并列双钝体箱梁间距对涡激共振特性的影响)，如我国广东的佛山平胜大桥(主跨350m，两主梁为扁平箱梁)，青岛海湾大桥红岛航道桥(主跨240m，两主梁采用扁平箱梁)及江苏省崇启大跨度连续梁桥等。
当气流流经非流线形桥梁断面时，周期性交替脱落的旋涡会引起桥梁结构主梁的涡激振动现象(简称涡振现象)，涡振的危害已引起了人们的重视并得到了一定的研究。在双幅桥面的桥梁中，不仅存在主梁的涡激振动现象，研究者们还在双幅桥面的桥梁中发现两主梁断面间存在着气动干扰效应。崇启大跨度连续梁桥风洞试验时，在实桥15～35m/s的风速区间内出现了两个涡激共振区间，最大振幅接近144mm，可参考秦浩等提出的大跨度双幅连续钢箱梁桥涡激振动特性风洞试验研究；广东佛山平胜大桥和青岛海湾红岛航道桥在风洞试验中同样发现了不同程度的涡激共振现象及气动干扰效应，可参考陈政清等提出的双幅桥面桥梁主梁气动干扰效应研究。
在已有研究中，学者们主要通过风洞试验进行双幅桥面桥梁的风致振动研究，但仅通过试验结果无法明确其流场及涡激振动机理。此外，在风洞试验中，部分双幅桥面桥梁的主梁间距较小，在经过一定的缩尺之后，极小的间距易导致两幅主梁模型在试验时产生相互碰撞，数值模拟计算方法则能通过对控制方程的简化避免此问题。自二十一世纪以来，计算机技术飞速发展，数值模拟计算方法可以为风洞试验提供指导，节省经费。数值模拟计算方法凭借出色的可视化和可重复性等优点，成为研究风致振动的又一重要工具，通过数值模拟计算求解流体力学控制方程，进而获取各种流体参数的分布信息。
目前，桥梁断面二维涡激振动数值模拟计算方法均是基于单幅主梁断面的，无法同时实现双幅桥面桥梁或多幅桥面桥梁(多幅是指两幅及两幅以上)的振动求解。有关多幅桥梁的涡激振动研究大都是基于风洞试验开展的，而在数值计算方法中，现有文献对多幅桥梁涡激振动流场研究均是基于静态的绕流，无法准确描述其流场，也与现实情况不符。针对现有技术不足，本发明通过对FLUENT进行二次开发，公布一种基于Fluent UDF的二维多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，实现多幅桥梁的涡激振动二维数值模拟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，以解决现有技术中无法实现多幅桥面桥梁与流场的流固耦合求解问题，本发明通过对FLUENT进行二次开发，实现多幅桥面桥梁涡激振动的二维数值模拟计算，并能准确描述多幅桥面桥梁涡激振动的流场特性，为研究多幅桥面桥梁的涡振机理以及后续的气动优化措施的选取提供基础。
本发明独立权利要求的技术方案解决了上述发明目的中的一个或多个。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，包括：
步骤1：建立待计算多幅桥面桥梁的二维钝体断面数值模型；
建立待计算多幅桥面桥梁的三维有限元模型，根据所述三维有限元模型计算多幅桥面桥梁的动力特性参数；
步骤2：对所述二维钝体断面数值模型的流场进行网格和区域划分，定义流场的边界条件类型，并导出划分后的网格文件，所述流场从外到内依次划为静网格域、动网格域以及刚性域；所述刚性域包括多个，每个钝体断面对应一个刚性域；
编译UDF二次开发程序，并将步骤1所述动力特性参数输入至UDF二次开发程序中；
步骤3：将所述步骤2的网格文件和UDF二次开发程序导入Fluent软件中；
步骤4：在Fluent软件中设置边界条件参数和求解参数，并对流场进行初始化；
步骤5：求解当前时刻的N-S方程，得到当前时刻的流场特性；
步骤6：通过UDF二次开发程序从所述流场中提取某个钝体断面的升力和扭矩；
步骤7：根据所述步骤1的动力特性参数、步骤6中所述钝体断面的升力和扭矩以及所述钝体断面在上一时刻的运动特性参数，在UDF二次开发程序中求解所述钝体断面的动力学方程，得到所述钝体断面在当前时刻的运动特性参数；
步骤8：将所述钝体断面在当前时刻的运动特性参数存储至存储区；
步骤9：将所述钝体断面在当前时刻的运动特性参数中的竖向速度和角速度分别赋给该钝体断面和与该钝体断面对应的刚性域，通过UDF二次开发程序使该钝体断面和刚性域运动；
步骤10：输出当前时刻所对应的时间以及所述钝体断面的升力、扭矩和运动特性参数，完成所述钝体断面的求解；
步骤11：判断是否完成所有钝体断面的求解，如果是，则转入步骤12，否则对下一个钝体断面循环执行步骤6～10；
步骤12：根据所述步骤10中输出的时间以及每个钝体断面的升力、扭矩和运动特性参数，拟合出每个钝体断面运动特性参数随时间变化的曲线图，并判断每个钝体断面的振动随时间变化是否均趋于稳定，如果是，则结束计算；
否则，更新动网格域网格，并进行下一时刻N-S方程的计算，重复步骤5～12。
在本发明中，步骤6至步骤10为UDF二次开发程序能够实现的具体步骤，将网格文件和UDF二次开发程序导入Fluent软件中，在Fluent软件中，设置边界条件参数和求解参数，求解N-S方程，提取钝体断面的升力和扭矩，再利用动力特性参数和钝体断面的升力和扭矩求解每个钝体断面的动力学方程，得到每个钝体断面的运动特性参数并赋值给对应的钝体断面及刚性域，使其运动，实现了二维钝体断面数值模型与流场的流固耦合，模拟了多幅桥面桥梁的涡激振动；UDF二次开发程序可以实现Fluent的并行运算，大大提高了计算效率；对流场的计算结果进一步处理可以得到多幅桥面桥梁的二维流场，为多幅桥面桥梁的涡激振动机理及气动干扰效应的分析提供了基础，同时，为多幅桥面桥梁涡激振动气动优化方案中的抑振措施的设计和选取提供了理论指导。
进一步地，所述动力特性参数包括竖向刚度、竖向质量、竖向阻尼系数、扭转刚度、扭转惯性矩以及扭转阻尼系数。
进一步地，所述步骤2中，采用Gambit软件对所述二维钝体断面数值模型的流场进行网格和区域划分。
进一步地，所述步骤2中，边界条件类型为：左侧边界条件类型为速度入口，右侧边界条件类型为压力出口；当来流风速方向与钝体断面的水平方向一致时，上下侧边界条件类型为对称边界，当来流风速方向顺时针旋转小角度后与钝体断面的水平方向一致时，上侧边界条件类型为压力出口，下侧边界条件类型为速度入口；当来流风速方向逆时针旋转小角度后与钝体断面的水平方向一致时，上侧边界条件类型为速度入口，下侧边界条件类型为压力出口；
设所述来流风速方向为边界条件的左侧，所述小角度是指小于90°的角。
进一步地，所述步骤2中，在UDF二次开发程序中还输入初始运动特性参数，初始运动特性参数的输入可以大大缩短后续动力学方程的计算时间，未输入初始运动特性参数时，初始运动特性参数一般默认为0。
进一步地，所述求解参数包括湍流模型、求解方法、离散格式、求解精度以及时间步长。
进一步地，所述步骤7中，采用Newmark-β法求解每个钝体断面的动力学方程。
在UDF二次开发程序中嵌入Newmark-β法，实现对刚体运动的求解。
进一步地，所述步骤7中，动力学方程的表达式为：
Figure BDA0002673947210000041
Figure BDA0002673947210000042
其中，m为钝体断面的竖向质量，
Figure BDA0002673947210000043
钝体断面的竖向加速度，Ch为钝体断面的竖向阻尼系数，
Figure BDA0002673947210000044
为钝体断面的竖向速度，Kh为钝体断面的竖向刚度，h为钝体断面的竖向位移，L(t)为钝体断面的升力；I为钝体断面的扭转惯性矩，
Figure BDA0002673947210000045
为钝体断面的角加速度，Cα为钝体断面的扭转阻尼系数，
Figure BDA0002673947210000046
为钝体断面的角速度，Kα为钝体断面的扭转刚度，α为钝体断面的角位移，M(t)为钝体断面的扭矩。
UDF二次开发程序定义了竖向自由度和扭转自由度，能够同时实现两种振动形式，限制了多个钝体断面在水平方向的运动，防止了多个钝体断面间发生碰撞。
进一步地，所述运动特性参数包括钝体断面的竖向加速度、钝体断面的竖向速度、钝体断面的竖向位移、钝体断面的角加速度、钝体断面的角速度以及钝体断面的角位移。
进一步地，所述步骤12中，采用弹簧光顺法和网格重构法对动网格域网络进行更新。
有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，将网格文件和UDF二次开发程序导入Fluent软件中，在Fluent软件中，设置边界条件参数和求解参数，求解N-S方程，提取钝体断面的升力和扭矩，再利用动力特性参数和钝体断面的升力和扭矩求解每个钝体断面的动力学方程，得到每个钝体断面的运动特性参数并赋值给对应的钝体断面及刚性域，使其运动，实现了二维钝体断面数值模型与流场的流固耦合，模拟了多幅桥面桥梁的涡激振动；UDF二次开发程序可以实现Fluent的并行运算，大大提高了计算效率；对流场的计算结果进一步处理可以得到多幅桥面桥梁的二维流场，为多幅桥面桥梁的涡激振动机理及气动干扰效应的分析提供了基础，同时，为多幅桥面桥梁涡激振动气动优化方案中的抑振措施的设计和选取提供了理论指导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法的流程图；
图2是本发明实施例1中二维主梁断面数值模型流场的区域划分图；
图3是本发明实施例1中动网格域的放大图；
图4是本发明实施例1中二维主梁断面数值模型流场网格和区域划分后示意图，虚线引出为对应域的放大图；
图5是本发明实施例2中某双幅桥面桥梁设计方案的横断面图；
图6是本发明实施例2中某双幅桥面桥梁的二维主梁断面数值模型图；
图7是本发明实施例2中主梁断面壁面Yplus图；
图8是本发明实施例2中-3°风攻角、风速23m/s时上游幅主梁断面竖向位移随时间变化的曲线图；
图9是本发明实施例2中-3°风攻角、风速23m/s时下游幅主梁断面竖向位移随时间变化的曲线图；
图10是本发明实施例2中-3°风攻角、风速23m/s下某一时刻双幅桥面桥梁断面压力云图；
图11是本发明实施例2中-3°风攻角、风速23m/s下某一时刻双幅桥面桥梁速度云图；
图12是本发明实施例2中-3°风攻角双幅桥面桥梁涡激振动区间图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
涡激振动钝体断面形式有多种，例如主梁断面、桥塔断面、灯柱截面、拉索截面、圆柱截面以及方柱截面等，本实施例以主梁断面的涡激振动为例来说明本发明的计算方法。如图1所示，本实施例所提供的一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，包括以下几个步骤：
步骤1：根据待计算多幅桥面桥梁的方案设计图，采用AutoCAD软件建立该多幅桥面桥梁的二维主梁断面数值模型。
在二维主梁断面数值模型建立时，要求主梁断面的壁面的Yplus值在1左右，以保证所建立的二维主梁断面数值模型满足计算精度要求，得到可靠精度的结果。
采用Ansys软件建立待计算多幅桥面桥梁的三维有限元模型，根据三维有限元模型计算多幅桥面桥梁的动力特性参数，动力特性参数包括竖向刚度、竖向质量、竖向阻尼系数、扭转刚度、扭转惯性矩以及扭转阻尼系数。桥梁的动力特性参数的计算为现有技术，可参考张海龙提出的三汊矶大桥动力特性及等效质量计算[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2009,17(04):27-30.。
步骤2：采用Gambit软件对二维主梁断面数值模型的流场进行网格和区域划分，定义流场的边界条件类型，并导出划分后的网格文件，网格文件的格式为.msh格式。
如图2所示，设来流风速方向为边界条件的左侧，边界条件类型为：左侧边界条件类型为速度入口(velocity-inlet)，右侧边界条件类型为压力出口(pressure-outlet)；当来流风速方向与主梁断面的水平方向一致时，即风攻角为0°时，上下侧边界条件类型为对称边界(symmetry)，当来流风速方向顺时针旋转小角度后与主梁断面的水平方向一致时，即风攻角为正角度时，上侧边界条件类型为压力出口(pressure-outlet)，下侧边界条件类型为速度入口(velocity-inlet)；当来流风速方向逆时针旋转小角度后与主梁断面的水平方向一致时，即风攻角为负角度时，上侧边界条件类型为速度入口(velocity-inlet)，下侧边界条件类型为压力出口(pressure-outlet)。
流场从外到内依次划为静网格域、动网格域以及刚性域；刚性域包括多个，每个主梁断面对应一个刚性域，刚性域的数量与主梁断面的数量对应。例如，如果是双幅桥面桥梁，则有两个主梁断面，那么刚性域也包括两个，即刚性域Ⅰ和刚性域Ⅱ，刚性域Ⅰ与主梁断面Ⅰ对应，刚性域Ⅱ与主梁断面Ⅱ对应，如图2～4所示，刚性域Ⅰ位于主梁断面Ⅰ外，刚性域Ⅱ位于主梁断面Ⅱ外。
采用C++编译UDF二次开发程序，并将动力特性参数输入至UDF二次开发程序中，同时在UDF二次开发程序编译时还可以输入初始运动特性参数，初始运动特性参数的输入可以大大缩短后续动力学方程的计算时间，未输入初始运动特性参数时，初始运动特性参数一般默认为0。
步骤3：将步骤2中.msh格式的网格文件和.c格式的UDF二次开发程序导入Fluent软件中。
步骤4：在Fluent软件中设置边界条件参数和求解参数，并对流场进行初始化，即赋给二维主梁断面数值模型所在流场一个初始值。
本实施例中，求解参数包括湍流模型、求解方法、离散格式、求解精度以及时间步长。
步骤5：求解T时刻的N-S方程，得到T时刻的流场特性。
步骤6：通过UDF二次开发程序采用UDF宏命令Compute_Force_And_Momen从流场中提取第i个主梁断面的升力和扭矩。
步骤7：根据步骤1的动力特性参数、步骤6中第i个主梁断面的升力和扭矩、以及从存储区调用的第i个主梁断面在T-△T时刻的运动特性参数，在UDF二次开发程序中求解第i个主梁断面的动力学方程，得到第i个主梁断面在T时刻的运动特性参数。△T为时间步长。
动力学方程的表达式为：
Figure BDA0002673947210000071
Figure BDA0002673947210000072
其中，m为主梁断面的竖向质量，
Figure BDA0002673947210000073
为主梁断面的竖向加速度，Ch为主梁断面的竖向阻尼系数，
Figure BDA0002673947210000074
为主梁断面的竖向速度，Kh为主梁断面的竖向刚度，h为主梁断面的竖向位移，L(t)为主梁断面的升力；I为主梁断面的扭转惯性矩，
Figure BDA0002673947210000075
为主梁断面的角加速度，Cα为主梁断面的扭转阻尼系数，
Figure BDA0002673947210000076
为主梁断面的角速度，Kα为主梁断面的扭转刚度，α为主梁断面的角位移，M(t)为主梁断面的扭矩。UDF二次开发程序定义了竖向自由度和扭转自由度，能够同时实现两种振动形式，限制了两个主梁断面在水平方向的运动，防止了两个主梁断面发生碰撞。
根据式(1)和(2)可知，运动特性参数包括竖向加速度、竖向速度、竖向位移、角加速度、角速度以及角位移。
本实施例中，动力学方程的求解可以采用Newmark-β法或者龙格库塔法。
步骤8：将第i个主梁断面在T时刻的运动特性参数存储至存储区。
UDF宏命令DEFINE_CG_MOTION的格式是固定的，当第i+1个主梁断面调用DEFINE_CG_MOTION时，会将第i个主梁断面的运动特性参数覆盖，而在下一时刻主梁断面动力学方程求解时又需要上一时刻的运动特性参数，这就导致现有技术局限于单个桥面桥梁涡激振动的求解。本发明中，通过创建存储区对每个时刻每个主梁断面的运动特性参数进行存储，以便下一时刻主梁断面动力学方程的求解，这样保证了UDF宏命令DEFINE_CG_MOTION赋值时的准确性，也保证了主梁断面和刚性域运动的准确性。
步骤9：将第i个主梁断面在T时刻的运动特性参数中的竖向速度和角速度分别赋给第i个主梁断面和与第i个主梁断面对应的刚性域，通过UDF二次开发程序使第i个主梁断面和对应的刚性域运动。
步骤10：输出T时刻所对应的时间以及第i个主梁断面的升力、扭矩和运动特性参数。
步骤11：判断是否完成所有主梁断面的求解，如果是，则转入步骤12，否则对下一个主梁断面(即第i+1个主梁断面)循环执行步骤6～10。
步骤12：根据步骤10中输出的时间以及每个主梁断面的升力、扭矩和运动特性参数，拟合出每个主梁断面运动特性参数随时间变化的曲线图，并判断每个主梁断面的振动随时间变化是否均趋于稳定，如果是，则结束计算；
否则，更新动网格域网格，并进行T+△T时刻N-S方程的计算，重复步骤5～12。
本实施例中，利用Fluent软件中的Dynamic Mesh模块，采用弹簧光顺法(Smoothing)和网格重构法(Remeshing)对动网格域网格进行更新。振动趋于稳定是指竖向位移或角位移的振幅趋于收敛。
从Fluent软件中导出cas文件和data文件，并将cas文件和data文件导入到Tecplot、CFD-post等后处理软件中，分别绘制出的压力云图和速度云图。
实施例2
以某三跨连续梁桥桥跨123m+178m+123m为例，上、下游桥梁断面间距D与单幅主梁宽度B之比约为0.038，上、下游主梁断面形式一致。桥梁跨中断面如图5所示，单幅主梁宽13m，梁高4.5m，下人行道宽4m，双幅主梁间距为0.5m，双幅主梁间距与单幅桥面宽之比为0.038。通过有限元分析软件Ansys18.0对该桥进行三维有限元建模并求得该桥成桥状态主梁模态及振型，试验缩尺比为1:40，试验风速比为3.62。上、下游主梁断面的动力特性参数基本一致，三维有限元模型参数如附表1所示。根据图5，采用AutoCAD软件建立该双幅桥面桥梁的二维主梁断面数值模型，如图6所示。
表1三维有限元模型参数表
Figure BDA0002673947210000091
二维主梁断面数值模型的计算域为30B×20B矩形域，阻塞率小于3％，计算域是指二维主梁断面数值模型所处的整个流场的大小，阻塞率是指断面的高度与计算域的高度之比。如图2～4所示，采用多块矩形区域绘制静网格域及动网格域，在动网格域内嵌刚性域。边界条件左侧为速度入口，右侧为压力出口，上下采用对称边界，若来流风攻角为正(负)攻角时，计算域上、下边界分别改为速度入口(压力出口)和压力出口(速度入口)。整体网格及局部网格放大如图4所示，上下游幅分别设置两个相互独立的刚性域，在刚性域中，近壁面网格绘制10层正交四边形边界层网格，保证了壁面附近网格的精度，再用三角形网格填充刚性域并按一定增长率向外增长以提高精度和计算效率。动网格域采用全三角形网格且按一定增长率向外增长，外部静网格域采用正交的四边形结构网格。网格总数量为254333，控制网格畸变率以保证计算网格质量，主梁断面近壁面边界的无量纲距离YPlus大部分值控制在2以下，如图7所示。
本发明在数值模拟过程中，湍流模型采用k-ωSST模型，湍流描述形式采用湍流强度和湍流粘性比，湍流强度Turbulent Intensity取0.5％，湍流粘性比Turbulentviscosity ratio取2，地表采用无滑移边界条件(Wall-No Slip)。本发明中流场分析通过有限体积法离散求解任意拉格朗日-欧拉描述下的不可压缩N-S方程，结构分析则用有限元法求解结构动力学方程。
速度-压力耦合方程组采用SIMPLEC算法求解，对流项和扩散项均采用二阶中心差分格式，时间差分格式采用二阶隐式算法(Second Order Implict)，用超松弛方法(SOR)求解压力Poisson方程，压力和动量松弛因子分别取0.3和0.7，时间步长Δt取0.001秒。
本发明中数值模拟计算的其中一个工况(-3°攻角，风速23m/s)计算结果如图8～11所示。
将多个风速的计算结果汇总可以得到双幅桥梁涡激振动的区间，如图12所示。根据图8和9可得，57s前主梁断面在竖向位移的振幅是逐渐增大的，最终振幅分别稳定在100和300mm左右。图10、图11是某个时刻的整个流场的压力和速度分布情况，每一个时刻会生成一个cas和data文件，对多个时刻的流场图综合分析，可以知道整个流场的压强或者速度随时间是怎么样变化的，就可以进一步分析得到断面涡激振动的机理。
图12是各个风速计算完，两个主梁断面的振动幅度(稳定后的)随风速增大的变化情况。根据图12可以得出，变化情况是先增大后减小，而这个区间就是涡激振动的锁定区间。实际工程是不允许平常的风速值在这个区间内的，进一步可以采取气动优化措施，使得这个涡激振动区间向后移动。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，其特征在于，包括：
步骤1：建立待计算多幅桥面桥梁的二维钝体断面数值模型；
建立待计算多幅桥面桥梁的三维有限元模型，根据所述三维有限元模型计算多幅桥面桥梁的动力特性参数；
步骤2：对所述二维钝体断面数值模型的流场进行网格和区域划分，定义流场的边界条件类型，并导出划分后的网格文件，所述流场从外到内依次划为静网格域、动网格域以及刚性域；所述刚性域包括多个，每个钝体断面对应一个刚性域；
编译UDF二次开发程序，并将步骤1所述动力特性参数输入至UDF二次开发程序中；
步骤3：将所述步骤2的网格文件和UDF二次开发程序导入Fluent软件中；
步骤4：在Fluent软件中设置边界条件参数和求解参数，并对流场进行初始化；
步骤5：求解当前时刻的N-S方程，得到当前时刻的流场特性；
步骤6：从所述流场中提取某个钝体断面的升力和扭矩；
步骤7：根据所述步骤1的动力特性参数、步骤6中所述钝体断面的升力和扭矩以及所述钝体断面在上一时刻的运动特性参数，求解所述钝体断面的动力学方程，得到所述钝体断面在当前时刻的运动特性参数；
步骤8：将所述钝体断面在当前时刻的运动特性参数存储至存储区；
步骤9：将所述钝体断面在当前时刻的运动特性参数中的竖向速度和角速度分别赋给该钝体断面和与该钝体断面对应的刚性域，使该钝体断面和刚性域运动；
步骤10：输出当前时刻所对应的时间以及所述钝体断面的升力、扭矩和运动特性参数，完成所述钝体断面的求解；
步骤11：判断是否完成所有钝体断面的求解，如果是，则转入步骤12，否则对下一个钝体断面循环执行步骤6～10；
步骤12：根据所述步骤10中输出的时间以及每个钝体断面的升力、扭矩和运动特性参数，拟合出每个钝体断面运动特性参数随时间变化的曲线图，并判断每个钝体断面的振动随时间变化是否均趋于稳定，如果是，则结束计算；
否则，更新动网格域网格，并进行下一时刻N-S方程的计算，重复步骤5～12。
2.如权利要求1所述的多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，其特征在于：所述动力特性参数包括竖向刚度、竖向质量、竖向阻尼系数、扭转刚度、扭转惯性矩以及扭转阻尼系数。
3.如权利要求1所述的多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，其特征在于：所述步骤2中，采用Gambit软件对所述二维钝体断面数值模型的流场进行网格和区域划分。
4.如权利要求1所述的多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，其特征在于：所述步骤2中，边界条件类型为：左侧边界条件类型为速度入口，右侧边界条件类型为压力出口；当来流风速方向与钝体断面的水平方向一致时，上下侧边界条件类型为对称边界，当来流风速方向顺时针旋转小角度后与钝体断面的水平方向一致时，上侧边界条件类型为压力出口，下侧边界条件类型为速度入口；当来流风速方向逆时针旋转小角度后与钝体断面的水平方向一致时，上侧边界条件类型为速度入口，下侧边界条件类型为压力出口；
设所述来流风速方向为边界条件的左侧，所述小角度是指小于90°的角。
5.如权利要求1所述的多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，其特征在于：所述步骤2中，在UDF二次开发程序中还输入初始运动特性参数。
6.如权利要求1所述的多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，其特征在于：所述求解参数包括湍流模型、求解方法、离散格式、求解精度以及时间步长。
7.如权利要求1所述的多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，其特征在于：所述步骤7中，采用Newmark-β法求解每个钝体断面的动力学方程。
8.如权利要求1所述的多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，其特征在于：所述步骤7中，动力学方程的表达式为：
Figure FDA0002673947200000021
Figure FDA0002673947200000022
其中，m为钝体断面的竖向质量，
Figure FDA0002673947200000023
为钝体断面的竖向加速度，Ch为钝体断面的竖向阻尼系数，
Figure FDA0002673947200000024
为钝体断面的竖向速度，Kh为钝体断面的竖向刚度，h为钝体断面的竖向位移，L(t)为钝体断面的升力；I为钝体断面的扭转惯性矩，
Figure FDA0002673947200000025
为钝体断面的角加速度，Cα为钝体断面的扭转阻尼系数，
Figure FDA0002673947200000026
为钝体断面的角速度，Kα为钝体断面的扭转刚度，α为钝体断面的角位移，M(t)为钝体断面的扭矩。
9.如权利要求1所述的多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，其特征在于：所述运动特性参数包括钝体断面的竖向加速度、钝体断面的竖向速度、钝体断面的竖向位移、钝体断面的角加速度、钝体断面的角速度以及钝体断面的角位移。
10.如权利要求1～9中任一项所述的多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法，其特征在于：所述步骤12中，采用弹簧光顺法和网格重构法对动网格域网络进行更新。
CN202010941962.2A 2020-09-09 2020-09-09 一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法 Active CN112084560B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010941962.2A CN112084560B (zh) 2020-09-09 2020-09-09 一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010941962.2A CN112084560B (zh) 2020-09-09 2020-09-09 一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112084560A true CN112084560A (zh) 2020-12-15
CN112084560B CN112084560B (zh) 2023-03-24

Family

ID=73732989

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010941962.2A Active CN112084560B (zh) 2020-09-09 2020-09-09 一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112084560B (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113360979A (zh) * 2021-06-03 2021-09-07 长沙理工大学 钢箱梁抑涡除湿一体流动智能控制系统及使用方法
CN113642068A (zh) * 2021-07-07 2021-11-12 哈尔滨工业大学 一种基于决策树和循环神经网络的桥梁涡激振动幅值预测方法
CN114896911A (zh) * 2022-05-26 2022-08-12 石家庄铁道大学 一种基于变刚度的钝体结构涡激振动数值模拟方法及系统
CN115344819A (zh) * 2022-08-16 2022-11-15 哈尔滨工业大学 基于状态方程的显式欧拉法符号网络常微分方程识别方法
CN116702648A (zh) * 2023-01-19 2023-09-05 武汉理工大学 一种三维钻柱的涡激振动计算方法及装置
CN117113777A (zh) * 2023-09-08 2023-11-24 武汉理工大学 一种考虑内流的钻柱涡激振动计算方法
CN118194633A (zh) * 2024-03-04 2024-06-14 西南交通大学 一种大跨度悬索桥多模态涡激振动半主动控制方法及系统

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090238751A1 (en) * 2007-11-02 2009-09-24 University Of Connecticut Process Intensification In Microreactors
CN102609009A (zh) * 2012-04-13 2012-07-25 欧进萍 一种结构绕流场吸/吹气控制方法及其装置
CN105203281A (zh) * 2015-09-18 2015-12-30 天津大学 局部流速增大倾角来流多跨海底管道涡激振动试验装置
CN109359418A (zh) * 2018-11-09 2019-02-19 深圳大学 一种悬索桥非线性风致响应的预测方法、系统及存储介质
CN109799049A (zh) * 2019-03-06 2019-05-24 北京理工大学 一种弹性圆柱体涡激振动规律和耦合机理测定方法
CN109885864A (zh) * 2019-01-07 2019-06-14 长沙理工大学 一种三维钢桥塔涡激振动计算方法
CN110110408A (zh) * 2019-04-25 2019-08-09 西南石油大学 刚性圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法
CN110795827A (zh) * 2019-10-11 2020-02-14 扬州大学 非线性能量阱作用下弹性支撑刚性柱体结构的涡激振动仿真方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090238751A1 (en) * 2007-11-02 2009-09-24 University Of Connecticut Process Intensification In Microreactors
CN102609009A (zh) * 2012-04-13 2012-07-25 欧进萍 一种结构绕流场吸/吹气控制方法及其装置
CN105203281A (zh) * 2015-09-18 2015-12-30 天津大学 局部流速增大倾角来流多跨海底管道涡激振动试验装置
CN109359418A (zh) * 2018-11-09 2019-02-19 深圳大学 一种悬索桥非线性风致响应的预测方法、系统及存储介质
CN109885864A (zh) * 2019-01-07 2019-06-14 长沙理工大学 一种三维钢桥塔涡激振动计算方法
CN109799049A (zh) * 2019-03-06 2019-05-24 北京理工大学 一种弹性圆柱体涡激振动规律和耦合机理测定方法
CN110110408A (zh) * 2019-04-25 2019-08-09 西南石油大学 刚性圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法
CN110795827A (zh) * 2019-10-11 2020-02-14 扬州大学 非线性能量阱作用下弹性支撑刚性柱体结构的涡激振动仿真方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IZHAR ABUBAKAR等: "Simulation of Vortex-Induced Vibrations of A Cylinder Using ANSYS CFX Rigid Body Solver", 《CHINA OCEAN ENGINEERING》 *
YE TANG等: "Fractional Dynamics of Fluid-Conveying Pipes Made of Polymer-Like Materials", 《ACTA MECHANICA SOLIDA SINICA》 *
刘小兵等: "桥梁断面颤振稳定性的直接计算法", 《振动与冲击》 *
刘磊等: "分体式双箱梁涡振气动控制措施数值模拟", 《结构工程师》 *
康友良: ""变截面钢桥塔涡激振动风洞试验"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113360979A (zh) * 2021-06-03 2021-09-07 长沙理工大学 钢箱梁抑涡除湿一体流动智能控制系统及使用方法
CN113360979B (zh) * 2021-06-03 2023-04-14 长沙理工大学 钢箱梁抑涡除湿一体流动智能控制系统及使用方法
CN113642068A (zh) * 2021-07-07 2021-11-12 哈尔滨工业大学 一种基于决策树和循环神经网络的桥梁涡激振动幅值预测方法
CN114896911A (zh) * 2022-05-26 2022-08-12 石家庄铁道大学 一种基于变刚度的钝体结构涡激振动数值模拟方法及系统
CN115344819A (zh) * 2022-08-16 2022-11-15 哈尔滨工业大学 基于状态方程的显式欧拉法符号网络常微分方程识别方法
CN116702648A (zh) * 2023-01-19 2023-09-05 武汉理工大学 一种三维钻柱的涡激振动计算方法及装置
CN116702648B (zh) * 2023-01-19 2024-05-10 武汉理工大学 一种三维钻柱的涡激振动计算方法及装置
CN117113777A (zh) * 2023-09-08 2023-11-24 武汉理工大学 一种考虑内流的钻柱涡激振动计算方法
CN117113777B (zh) * 2023-09-08 2024-04-09 武汉理工大学 一种考虑内流的钻柱涡激振动计算方法
CN118194633A (zh) * 2024-03-04 2024-06-14 西南交通大学 一种大跨度悬索桥多模态涡激振动半主动控制方法及系统
CN118194633B (zh) * 2024-03-04 2024-08-23 西南交通大学 一种大跨度悬索桥多模态涡激振动半主动控制方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN112084560B (zh) 2023-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112084560B (zh) 一种多幅桥面桥梁涡激振动数值模拟计算方法
Elshaer et al. Enhancing wind performance of tall buildings using corner aerodynamic optimization
CN109885864B (zh) 一种三维钢桥塔涡激振动计算方法
CN110795827B (zh) 非线性能量阱作用下弹性支撑刚性柱体结构的涡激振动仿真方法
CN108052772A (zh) 一种基于结构降阶模型的几何非线性静气动弹性分析方法
CN111008490B (zh) 采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法
CN108363843A (zh) 一种基于结构降阶模型的几何非线性静气动弹性全机配平方法
CN107391891A (zh) 一种基于模型融合方法的大展弦比机翼优化设计方法
CN103699715A (zh) 一种基于光滑粒子流体动力学和非线性有限元的流固耦合方法
CN105512413B (zh) 一种适用于山地建筑数值风洞模拟的建模方法
CN114647966B (zh) 一种基于间隙流作用下高层建筑抗风设计方法
Levesque et al. An overset grid 2D/infinite swept wing URANS solver using recursive cartesian bucket method
Tamura et al. Aerodynamic and response characteristics of super-tall buildings with various configurations
CN108509710A (zh) 一种平行双幅桥静风稳定分析方法
Lu et al. Flow simulation system based on high order space-time extension of flux reconstruction method
Chawdhury et al. An extension of pseudo-3D vortex particle methods for aeroelastic interactions of thin-walled structures
Zhang et al. Vortex-induced vibration of a flexible rectangular cylinder: experimental investigation and comparative study of theoretical models
Yuan et al. Numerical analyses of aerodynamic characteristics of integrated L-shaped high-rise building
CN109446732A (zh) 单箱多室箱梁精细化实体单元模型构建的有限元前处理方法
Makhinko et al. Computational aerodynamics in architectural siting of the structures of agro-industrial complex
Tamura et al. Aerodynamic control of wind-induced vibrations and flow around super-tall buildings
Mao et al. Ground effects on the vortex-induced vibration of bridge decks
Alaghmandan et al. Modifying tall building form to reduce the along-wind effect
Wang et al. Optimal design model for wind resistance based on static numerical simulation of large span bridges and its application
Baskaran et al. Prediction of wind effects on buildings using computational methods—review of the state of the art

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant