范例_10_CFD_桥梁的二维CFD分析

CFD–桥梁的二维CFD分析midasFEACaseStudySeries46[midasFEA二维桥梁截面CFD分析网格][桥梁截面的阻力系数][网格细分状况]▨实际工程1.分析目的通过对桥梁截面的二维流体动力分析(CFD，ComputationalFluidDynamics)，分析桥梁截面对气流的响应，从而保证桥梁的抗风安全性。2.分析方法2.1基本事项假设气流是非定常流(非稳定流)、不可压缩流、是具有一定特性的流体。支配方程使用了不可压缩流体的连续方程式和运动方程式(Navier-Stokes方程式)。数值分析中使用的边界条件和特性值如下。(1)流动入口：U=10m/s(均匀分布的层流)(2)流动出口：压力不变(3)上下面：滑移条件(slipcondition)(4)桥梁壁面：粘结条件(noslipcondition)(5)采用流体：空气(密度=1.225kg/㎥,粘度=1.7894×10-05kgm-1s-1(6)数值模型:midasFEA)2.2湍流模型湍流模型采用Smagorinsky(1963)提出的大涡模拟(LES，LargeEddySimulation)模型。因为在桥梁角部和其它位置会形成各种涡流，即使接近流的流动条件相同，风力的振动也会非常复杂。为了分析涡流的动力特性，采用了可以推测湍流随时间变化的LES模型。LES模型与雷诺平均湍流模型(ReynoldsAverageModel)相比，在计算流线变化比较大的截面时，如桥梁截面(钝体，bluntbody)的周边湍流流动场时，计算结果会更准确一些。3.分析结果3.1涡流振动的频谱分析1)气动力系数(1)为了确定涡流振动的发生状况以及振动频率，需要定义桥梁表面上的阻力系数(CD，DragCoefficient)和升力系数(CL，LiftCoefficient)。在此，Fx和Fy分别为阻力和升力，LV和LH分别是与流动方向垂直的桥梁截面的长度即梁高和与流动方向平行的长度即梁宽(Lv=3.9m，LH=25.6m)。ρ是密度(=1.225kg/m3)，U是接近流的风速(=10m/s)。(2)如下图所示，阻力系数和升力系数的时间变化历程虽然比较复杂，但是在特定的周期下在做有规则性的振动。在计算阻力系数和升力系数的时间平均值时，可将前10秒忽略，将其视为气动力在达到稳定状态前的状态。阻力系数和升力系数的时间平均值如下：阻力系数(CD升力系数(C)：0.820L)：-0.170本例题中采用的是实际风洞试验的模型，程序计算得到的阻力系数和升力系数与试验得到的阻力系数(0.848)和升力系数(-0.151)相比，误差很小。桥梁的二维CFD分析midasFEACaseStudySeries47[随时间变化的压力场分布][随时间变化的涡度分布的变化][特定时间的速度分布]3.2压力分布作用在桥梁截面上的阻力和升力的大小以及振动特性与桥梁周边的压力分布相关。下图是桥梁周边的压力场从80秒到88秒按1.0秒间隔的变化图(部分)。可以看出涡流(压力较小的部分，在图中用绿色表示)发生在桥梁截面的迎风面的上下角，并随着气流的流动按大致相同的间距释放着脱落。持续产生大规模涡流的位置在迎风面的上下端角部。也就是说对桥梁整体(二维截面)的升力和阻力特性最敏感的是角部的形状。在桥梁迎风面上下端角部发生的涡流的大小和脱落周期虽然具有一定的规则性，但是相互关联并不明显。在上下角部发生的涡流将影响桥梁整体的升力和阻力。与桥梁截面前端的较高压力分布区域(红色)具有一定连续性的特性相反，在截面的上下端产生的低压力分布的涡流具有形成-增长-脱落的周期性特性。在桥梁截面的尾流区域释放的涡流间距大致相同，这是因为涡流周期比较固定以及接近流的风速没有变化的原因。在下游随气流移动的涡流的大小虽然不相同，但是形状相似。压力场中的涡流形状一般成圆形。3.3涡度和速度分布与压力分布相同，下图显示的是从80秒到88秒之间以1.0秒为间隔的桥梁截面周边的涡度分布的连续变化。在桥梁尾部显示出涡流(vortex)周期性的增长和脱落，桥梁上部的压力增加造成桥梁产生负的升力。涡流的大小在流动上游的停滞区域、桥梁上下部形状变化位置、桥梁的下游结束位置最大。这种现象是由形状阻力造成的流动的剥离引起的，在上下端生成的正负涡度形成圆形涡流(vortex)并形成尾流。符号相反的涡流在结构物的后面形成长长的卡门涡街(Karmanvortexstreet)。[桥梁截面的升力系数]桥梁的二维CFD分析midasFEACaseStudySeries48▨验证例题1.验证概要本验证例题为midasFEA的计算流体分析例题。本例题由简单形状的圆柱体问题和两个任意桥梁截面的共三个问题组成。圆柱体问题介绍的是层流(laminar)在雷诺数Re40时发生非定常流动。非定常流动是流动的剥离引起涡流(vortex)脱落造成的，验证例题将对程序和文献中的涡流脱落频率和气动力系数的振幅数据进行比较。桥梁截面的流动分析中使用了湍流模型，在桥梁的两端或者上部附属结构上发生的涡流会造成气动力系数的复杂振动。本例题采用了与Fluent相似的计算条件，并比较了两个程序得到的气动力系数和流动的倾向。各例题模型大小为1，并使用雷诺数(Reynoldsnumber)和马赫数(Machnumber)将其无量刚化，所以所有输入值和结果都将是无量纲的参数。2.结构信息2.1分析模型(1)圆柱体圆柱体半径：r=0.5圆形外边界半径：R=15.0网格：圆周方向256x径向128(2)桥梁A宽度(流动方向的长度)：LH厚度(梁高)：L=1.000V网格：60874个=0.108为了在边界层上正确模拟速度的变化，壁面边界的网格尺寸控制在5.0E-5水准，并使用了双曲正切播种(Hyperbolictangentseeding)功能。(3)桥梁B宽度(流动方向的长度)：LH厚度(梁高)：L=1.000V网格：34357个=0.180壁面边界的网格尺寸控制在1.0E-4水准，并使用了双曲正切播种功能。桥梁的二维CFD分析midasFEACaseStudySeries492.2流体的性质、边界条件以及有关非定常分析的相关设置(1)圆柱体密度：1粘度：0.01333音速：10雷诺数：150接近流风速：2湍流模型：无边界条件：壁面边界(圆柱体)，自由流(圆形外轮廓)时间步长：0.02(2)桥梁A密度：1粘度：1.47E-9音速：1湍流模型：q-omega(壁面函数，wallfunction)雷诺数：2.0E7接近流风速：0.0294(换算为空气10m/s)边界条件：自由流(流动入口/出口)，壁面边界(桥梁壁面)，对称条件(上下端)时间步长：将0.005和0.05混合比较(3)桥梁B密度：1粘度：2.94E-9音速：1湍流模型：q-omega(壁面函数)，k-omegaSST(剪切应力运输模型)雷诺数：1.0E7接近流风速：0.0294(换算为空气10m/s)边界条件：自由流(流动入口/出口)，壁面边界(桥梁壁面)，对称条件(上下端)时间步长：0.05*桥梁A和桥梁B在Fluent程序中设置如下：网格和流体的特性值：与midasFEA相同湍流模型：RNG(RenormalizationGroup)k-epsilon(标准壁面函数)时间步长：0.0053.分析结果及验算3.1圆柱体的分析结果如上图所示，气动力系数从t=20开始具有一定振动规律，阻力系数比升力系数的振动要快2倍左右。升力系数的FFT结果显示出只有一个频率。通过上图的压力分布和速度分布可以确认为非对称流动，通过流线(streak-line)可以确认产生了涡流。升力系数(Cl)的频率：频率=0.3662Hz斯托拉赫数(StrouhalNumber)=0.1831斯托拉赫数(文献资料)=0.182气动力系数的大小和范围：Cl=-0.52~0.52Cd=1.330-0.025~1.330+0.025[压力分布和速度分布(包含流线streak-line)(t=39.5)]桥梁的二维CFD分析midasFEACaseStudySeries50Cl(文献资料)=-0.53~0.53Cd(文献资料)=1.334-0.03~1.334+0.03*文献资料：Liu,C.,Zheng,X.andSung,C.H.,“PreconditionedMultigridMethodsforUnsteadyIncompressibleFlows,”JournalofComputationalPhysics,vol.139,19983.2桥梁A的分析结果升力系数的频率：-midasFEA：0.108Hz-Fluent：0.111Hz气动力系数的大小和范围：-midasFEA：Cl(average)=-0.5769Cl(amplitude)=0.015(dt=0.005)0.019(dt=0.05)Cd(average)=0.0292Cd(amplitude)=0.0033-Fluent：Cl(average)=-0.6036Cl(amplitude)=0.015Cd(average)=0.0323Cd(amplitude)=0.0033压力的最大和最小值：-midasFEA:-1.04E-3~4.32E-4-Fluent:-1.08E-3~4.33E-4Aero-DynamicsCoefficients-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.1100110120130140150160170180190200Time(sec)Aero-DynamicsCoefficientsCl(FEA)Cd(FEA)Cl(Fluent)Cd(Fluent)Aero-DynamicsCoefficients0.0250.0270.0290.0310.0330.035100102104106108110112114116Time(sec)Aero-DynamicsCoefficientsCd(FEA)Cd(Fluent)[气动力系数的历程][压力分布(midasFEA和Fluent)(t=Cl为最小值时)][速度分布(midasFEA和Fluent)(t=Cl为最小值时)]桥梁的二维CFD分析midasFEACaseStudySeries513.3桥梁B的分析结果升力系数的频率：-midasFEA：0.059Hz(q-omega),0.057Hz(k-omegaSST)-Fluent：0.050Hz气动力系数的大小和范围：-midasFEA：Cl(average)=-0.716(q-omega),-0.819(k-omegaSST)Cd(average)=0.0502(q-omega),0.0508(k-omegaSST)-Fluent：Cl(average)=-0.840Cd(average)=0.0554压力的最大最小值：k-omegaSST：-2.34E-3~4.24E-4q-omega：-1.95E-3~4.27E-4Fluent：-2.06E-3~4.35E-4速度最大值：k-omegaSST：6.14E-2q-omega：5.43E-2Fluent：5.70E-23.4结论(1)程序计算的气动力系数的平均值、振幅以及频率与参考文献和Fluent的结果比较具有类似的结果。在一些数值上具有10%左右的差异，推测是因为采用不同的湍流模型引起的差异。(2)气动力系数的微小振动在midasFEA中显示的更明显一些。(3)升力系数和阻力系数Fluent的结果比midasFEA的结果都要稍大一些。(4)两个程序在特定时间上压力和速度的最大最小值的结果相差约10%，考虑到湍流模型的差异和非定常流动分析的特点，可以认为两个程序的结果非常接近。Aero-DynamicsCoefficients-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.6020406080100120140Time(sec)Aero-DynamicsCoefficientsCl