带水路斜拉索气动特性的CFD模拟研究.pdf

第 3 7卷第 5期 2 0 1 1年 1 0月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 61 带水路斜拉索气动特性的 C F D模拟研究 李永乐， 安伟胜， 赵彤， 王 妍 西南交通大学桥梁工程系， lJ l l 成都6 1 0 0 3 1 摘要 雨中斜拉桥拉索表面的水滴容易在风的吹拂下形成水线， 而索面上侧水路显著改变了斜拉索的气动特性， 是斜拉索 发生雨振的主要原因。基于计算机流体动力学方法， 针对索面水路大小、 水路在索面附着位置的不同， 对斜拉索气动特性的 影响进行了数值模拟研究。研究结果表明， 当索面附着水路与风向成 7 0 。 9 0 。 夹角时， 最容易引发斜拉索的风雨激振。 关键词 斜拉索 ； C F D； 数值模拟； 气动特性 中图分类号 U 4 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 1 0 51 6 1 0 3 S i mu l a t i o n o f a e r o d y na mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f c a b l e s wi t h r i v u l e t b y CFD L I Yo n g l e ， AN We i s h e n g， ZHAO T o n g， WANG Ya n D e p a r t m e n t o f B ri d g e E n g i n e e ri n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e r a i n ， t h e d r o p s o n the c a b l e s of the c a b l e s t a y e d b ri d g e s c a n e a s i l y f o r me d i n t o riv u l e t s u n d e r the b l o w i n g o f the win d ． T h e riv u l e t o n t h e u p p e r s i d e w i l l s i g n i fi c a n tl y c h a n g e t h e a e r o d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s o f c ab l e s ， a n d i t i s t h e ma i n f a c t o r wh i c h c a u s e s the v i b r a t i o n o f t h e c ab l e s ．B a s e d o n t h e c o mp u t e r fl u i d d y n am i c s ， s o me r e s e a r c h wa s ma d e o n n u me ri c a l s i mu l a ti o n o f t h e a ff e c t s o f t h e s i z e an d p o s i t i o n o f t h e riv u l e t o n t h e a e r o d y n am i c c h a r a c t e ri s ti c s of c a b l e s ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t w hil e t h e ang l e s b e t w e e n s t h e w i n d d i r e c t i o n a n d t h e r i v u l e t i n t h e r an g e o f 7 0。 ～ 9 O。wi 1 1 mo s t l y c a u s e t h e win d ． r a i n ． i n d u c e d v i b r a t i o n of t h e c abl e s ． Ke y wo r d s c ab l e ； w i n d r a i n - i n d u c e d v i b r a t i o n； CF D； a e r o d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s 0 前言 随着世界各国各地区经济文化的发展交流与融 合 ， 地区间、 国家间的交通需求 在不断增长 ， 桥梁工 程的建设需求开始向着更大跨度发展l 】J 。斜拉桥 作为大跨桥梁的主要桥型之一 ， 伴 随我 国主跨 1 0 8 8 m苏通大桥建设的成功， 也有 了突破性 的进展。而 斜拉桥跨径不断增大带来 的抗 风问题变得 愈加突 出， 尤其是斜拉索的风雨激振问题越来越受到桥梁 建设者们的关注。斜拉索作为斜拉桥的主要承载构 件之一， 在斜拉桥使用中发挥着不可替代的作用， 其 建造费用也要 占到斜拉桥总造价 的 3 0 ％左 右。而 在风雨共 同作用下 ， 斜拉索表面 的水滴易在风 的吹 拂下形成具有一定高度的水路 ， 水路 改变 了斜拉索 的气动杼 陛， 在脉动风 的激励下很容易发生共振现 象。 自1 9 7 4德国汉堡 K o e h l b r a n d桥上观测到风雨 中斜拉索的大振幅振动引起 了人们注意后 ， 日本的 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 7 - 2 0 作者简介 李永乐 1 9 7 2一 ， 男 ， 河南 洛阳人 ， 博士 ， 教 授 ， 博 士生导 师， 主要从事大跨桥梁风致振动及车桥耦合振动等动力行为研究。 基金项 目 国家 自然 科学基金 资助项 目 5 0 7 7 8 1 5 5 ； 教育 部新世 纪 优秀人才支持计划 N C E T - 0 6 -0 8 0 2 ； 四川省杰出青年学科带头人才 计划 2 0 0 9 1 5 -4 0 6 Ema i l l e l e s w j t I 1 ． e d u ． c n ； c e y o n g l e g m a i l ． C O rn M e i k o N i s h i 桥、 法 国 的 B r o t o n n e大 桥 以及美 国 的 B u r l i n g t o n大桥和 H a r t m a n大桥等都相 继观测到 了 类似振动。在我国的杨浦大桥、 武汉长江二桥、 洞庭 湖大桥及香港汲水门大桥等亦观测到 了雨振现 象-2 J 。以上众多观测资料记录到的斜拉索风雨激 振的振幅高达 6 0 c m， 严重影响了桥梁的安全性能。 许多学者通过现场观测和风洞试验 ， 对斜拉索 雨振现象进行 了大量研究 。研究 结果表 明， 风雨作 用下斜拉索表面上形成 的上水路 ， 在一定程度上改 变了斜拉索的气动特性 ， 改变 了气流扰流斜拉索 的 形态 ， 是引起雨振 的主要原 因。由于风洞试验要投 人大量的时间、 人力和物力 ， 风雨激振重现也比较 困 难 ， 一些专家学者也曾利用 C F D技术对斜拉索风雨 激振机理进行 了研究 J ， 但研究对象仅限于几个特 征工况 ， 具有一定的随机性 ， 有待进一步讨论 。 本文利用 C F D技术对光圆斜拉索及带有不 同 形式水线斜拉索的气动力进行了计算分析 ， 针对水 线的大小、 水线在索面形成位置 的不同等 因素进行 了细化计算分析， 并对各种工况下斜拉索气动特性 的影响做了对 比研究 。 1 数值风洞模 拟 在风雨环境 中， 索面上的水滴会在风的吹拂下 形成水线， 从而改变了斜拉索的断面形状。气流经 1 6 2 四川建筑科学研究 第 3 7卷 由斜拉索钝体结构时， 有可能在结构两侧发生交替 变化的旋涡脱落现象 ， 旋 涡脱 落引发 的空气粘滞力 会带动斜拉索产生振动 ， 当旋 涡脱落频率接近或者 等于斜拉索的 自振频率时 ， 便会 引发斜拉索发生共 振 ， 使得振幅不断加大 ， 严重危害结构的安全性能 。 斜拉索表面水线 的形状、 大小 以及水线在索面 形成位置的不 同会导致斜拉索断面形状不 同程度的 改变 J 。本 研究选 取的斜拉索直径 D为 1 6 0 m m； 主要考虑斜拉索的上侧水线对其气动特性的影响， 水线分为小水线 H3 m m， B1 6 mm ， 中水线 日 6 m m， B1 6 m m ， 大水 线 H 9 m l i l ， B1 6 m m ， 如图 1 所示 ； 水线在索面附着 的位置如 图 2所 示， 其 中水线与风向夹角 0分别取 1 0 。 ， 2 0 。 ， 3 O 。 ， 4 0 。 ， 4 5 。 ， 5 0 。 ， 5 5 。 ， 6 0 。 ， 6 5 。 ， 7 O 。 ， 7 5 。 ， 8 0 。 ， 9 0 。 ， 以便 细致分析水线 的形 成位置对斜拉索 气动特性 的影 响。在实际中， 风速为 1 2 m ／ s 时容易引起斜拉索发 生风雨激振 ， 本研究选取来流风速为 1 2 m ／ s 。 l _ 图l水线尺寸 Fi g． 1 Ri vul e t s i z e 图2 索面水线位置 Fi g． 2 Po s i t i o n of r i vul e t ont he c abl e 数值风 洞 的模 拟 ， 采 用 基 于 有 限 体 积 法 的 F L U E N T 软件对 流场 进行 时 间域 和空 间域 上 的离 散。流场区域的设置对数值模拟精度有较大影响， 模拟流场的区域过小会导致计算结果与实际情况相 差较大 ， 区域过大则需要配置较高的计算机硬件设 备和较长的计算时间。涡激振动主要由钝体尾部 的 旋涡脱落引起 ， 为了使得旋涡脱落模拟精确， 斜拉索 尾部模拟区域应适当加长 。在满足计算结果精度 的 基础上 ， 尽量减少计算工作量 ， 风场 区域尺寸参照文 献 [ 8 - 9 ] ， 较保守设置如图 3所示。 I． 1 一 旦 一 图 3 流场 区域尺寸 Fi g ． 3 Fl o w r e g i o n al d i me ns i o ns 流场区域网格的划分对数值模拟计算结果有很 大影响， 网格尺寸太大会使数值模拟粗糙， 计算结果 可信度不高， 网格太小又会加大计算工作量。因此， 网格划分采用放射性网格 ， 即索面附近主要 流场波 动区域 的网格划分足够精细 ， 网格尺度采用 y 。m “ 1 6 ． 2～3 2 ． 5 ／ U 1 0 ]， 式 中 U为来流风速； 离索面 较远的流场区域划分 的网格尺寸适 当放大 ， 从而可 满足计算精度和计算量适 中的要求 。 边界条件视情况将迎风边界设为速度人 口， 背 风边界设置为压力 出 口， 并设置响应的湍 流强度 和 粘性系数完成湍流的数值实现 。 2 数值计算分析 对 附着有不同大小的水线 、 水线在索面形成 的 位置不 同及无水线情况下斜拉索的气动力系数进行 了定常和非定常数值计算 。定常分析方法不引人流 场随时间变化特性， 使空气以平均流速绕过索面， 在 定常的流场 中求解索面所受的气动力。该方法计算 简便、 用时较短 ， 但精确度稍差。非定常分析方法引 入 了流场随时间变化特性 ， 具有时变特性 ， 考虑了脉 动风对斜拉索的影响， 计算结果更接近真实情况 ， 但 计算工作量较大 。 由计算结果可知 ， 定常分 析方法所得气动力系 数与非定常分析方法所得结果相差不大。表 1 为索 面附着有中等大小水线情况下两种计算方法的结果 对 比， 其他工况下均有类似结论 。这说明， 对于斜拉 索这样 的钝体断面进行 C F D模拟计算时， 可以采用 计算较为简单、 用时较少的定常分析方法 。 表 1 不同计算方法下斜拉索气动力系数 Ta b l e 1 Ae r o d y n a mi c c o e ffi c i e n t s o f t h e c ab l e i n di ffe r e nt me th o ds 光 圆索面以及附着有不同水线 的索面随水线布 置倾角 0 变化的阻力系数 、 升力系数对 比， 如图 4 ， 5 所示。可见 ， 有水线索面的阻力系数绝对值 和升力 系数绝对值在水线 与风 向夹角小于 5 5 。 时 ， 均较平 稳 ， 水线与风向夹角大于 5 5 。 时， 阻力 系数随夹角加 大而显著变大 ； 不 同情况下 ， 索面随水线布置倾角 0 变化的力矩系数对 比， 如图 6所示。可见 ， 有水线索 面的力矩系数的绝对值随水线与风向轴线夹角的变 大而不断增大 ， 在 4 5 。 左右时达到最 大 ， 大于 5 0 。 时 随夹角增大而变小 。由索面附着有 3种水线 的气动 力系数可知 ， 阻力系数和升力系数 的绝对值 比较大 ， 当水线与风 向夹角为 8 0 。 左右 时达 到最大 ； 力矩 系 } 『 _ ． ’ 1 2 0 1 1 N o ． 5 李永乐， 等 带水路斜拉索气动特性的 C F D模拟研究 1 6 3 数的绝对值较小， 最大值只有0 ． 0 4 1 。 对比表面附着有3 种水线的斜拉索气动力系数 可知， 大水线索面气动力系数的绝对值最大 ， 中水线 索面次之 ， 小水线索面最小 。附着有水线斜拉索的 气动力系数绝对值普遍较光圆斜拉索的气动力系数 绝对值要大 ， 水线的存在改变了索面的形状 ， 对斜拉 索的气动特性产生了较大影响。 带有水线索面的斯托罗哈数与光 圆索面相同， 即水线的存在不会影响斜拉索的发振风速。 图 4阻力系数 F i g ． 4 Dr a g e o e f fi c i e n 图 5 升力 系数 Fig ． 5 Li f t c o e ffi c i e n t 图 6 力矩系数 Fi g ． 6 M o me n t c o e f fi c i e n t s 3 结论 1 定常分析方 法与非定 常分 析方法所计算得 到的结果相差不大， 对于斜拉索钝体断面的C F D模 拟计算， 可采用计算较为简单、 用时较少的定常分析 方法。 2 斜拉索索面水线与风 向夹角对斜拉 索 的气 动特性影响很大 ， 水线与风 向成 7 0 。～ 9 0 。 夹角时 ， 最容易引发斜拉索 的风雨激振。 3 水线的存在改变了斜拉索的断面特征 ， 很大 程度上改变了斜拉索的气动特性。附着有水线的斜 拉索的气动力系数绝对值普遍较光圆斜拉索的值要 大。附着有较大水线斜拉索 的气动力系数绝对值较 附着有较小水线斜拉索的值要大。 4 斜拉索的 3组气动力系数 中， 升力系数和阻 力系数的绝对值较力矩系数的绝对值要大， 与斜拉 索主要发生横向和竖向现象相符。抑制斜拉索风雨 激振主要集中于对斜拉索横向和竖向振动的控制。 5 带有水线索面的斯托罗哈数与光圆索面值 相同， 即水线的存在不会影响斜拉索的发振风速。 参 考 文 献 [ 1 ] 伊藤学， 川田忠树 ， 等． 超长大桥梁建设的序幕一技术者的新 挑战[ M] ． 刘建新， 和丕状， 译． 北京 人民交通出版社， 2 0 0 2 ． [ 2 ] Ma t s u m o t o M， S h i r a i s h i N a n d S h i r a t o H． R a i n w i n d i n d u t e d v i b r a - t i o n o f c a b l e s o f c a b l e s t a y e d b r i d g e s ． J ． Wi n d E n g ．I n d ． A e r o d y n ． 1 9 9 2， 4 1 - 4 42 01 1 - 2 0 2 2 ． [ 3 ] S a i t o T ， M a t s u m o t o M， K i t a z a w a M ． R a i n - win d e x c i t a t i o n of c a b l e s 0 n c ab l e s t a y e d Hi g a s h i Ko b e b r i d g e a n d c ab l e v i b rat i o n c o n t r o 1 ． P r o c e e d i n g o f i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e A．I ．P ．C． F ．I ．P ．． 1 9 9 4 2 5 0 7 - 5 1 5 ． [ 4 ] 顾明， 刘慈军， 罗国强， 林志兴， 项海帆．斜拉桥拉索的风 雨 激振及控制[ J ] ． 上海力学， 1 9 9 8 ， 1 9 4 2 8 3 - 2 8 8 ． [ 5 ] 陈政清． 斜拉索风雨振现场观测与振动控制[ J ] ． 建筑科学与 工程 学报 ， 2 0 0 5， 2 2 4 5 一 l 0 ． [ 6 ] 李寿英 ， 顾明．带 固定人工 水线拉 索扰流 的数值模 拟 [ J ] ． 同济大学学报 自然科学版， 2 0 0 5 ， 3 2 1 0 1 3 3 4 ． 1 3 3 8 ． [ 7 ] x u Y L ， L i Y L ， S h u m K M， e t e ． A e r o d y n a m i c C o e ff i c i e n t s of I n ． di n e d C i r c u l a r C i n d e m w i t h A r t ifi c i a l R i v u l e t i n S mo o t h F l o w [ J ] ． A d v a n c e s i n S t r u c t u r a l E n g i n eeri n g ， 2 0 0 6 ， 9 2 2 6 4 - 2 7 8 ． [ 8 ] 曾锴， 汪丛军， 周大伟， 等． 计算风工程几个关键影响因素分 析[ c] ／ ／ 第十二 届全 国结 构 风工 程学 术会 议 论文 集． 西安 ， 2 O O 5 ． [ 9 ] 李永乐， 汪斌， 黄林， 等． 平板气动力的C F D 模拟及参数研 究 [ J ] ． 工程力学 ， 2 0 0 9 ， 2 6 3 2 0 7 31 1 ． [ 1 O ]黄林． 列车风与 自然风联合作用下的车一桥耦合振动分析 [ D ] ． 成都 西南交通大学 ， 2 0 0 7 ． [ 1 1 ]王福军． 计算流体动力学分析 C F D软件原理与应用[ M] ． 北 京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 4 ．