三維曲線結(jié)構(gòu)六分力系數(shù)的風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬

三維曲線結(jié)構(gòu)六分力系數(shù)的風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬

【摘 要】對(duì)空間結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的橋梁進(jìn)行靜力六分力系數(shù)研究是非常有必要的。本文對(duì)某橋主翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力六分力風(fēng)洞試驗(yàn)，并采用RNGk-?著湍流模型對(duì)該橋主翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了同等條件下的數(shù)值模擬計(jì)算，并將數(shù)值模擬的結(jié)果與風(fēng)洞模型試驗(yàn)結(jié)果作了對(duì)比分析。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比得出，由CFD數(shù)值模擬方法計(jì)算出的六分力系數(shù)和風(fēng)洞試驗(yàn)值有一定誤差。從總體吻合程度上來(lái)說(shuō)，采用CFD方法進(jìn)行數(shù)值模擬還是比較成功的。

【關(guān)鍵詞】六分力系數(shù);風(fēng)洞試驗(yàn);數(shù)值模擬

0．引言

靜力六分力系數(shù)是計(jì)算空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜橋梁靜力風(fēng)荷載的重要參數(shù)，目前常用方法是制作一定縮尺比的節(jié)段模型，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)定。但是，由于風(fēng)洞試驗(yàn)受試驗(yàn)條件、場(chǎng)所的限制，很難真實(shí)的模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)，因此，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際問(wèn)題可能存在較大出入。而且模型放大后的一般規(guī)律往往是無(wú)法得到的，其效果自然也就很難掌握，這種縮小尺寸的試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒉豢偸悄芊从橙�比例結(jié)構(gòu)的各方面特征。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的高速發(fā)展，采用數(shù)值仿真方法計(jì)算橋梁靜力風(fēng)荷載，識(shí)別靜力六分力系數(shù)成為可能。數(shù)值仿真具有投資小、試驗(yàn)時(shí)間短、可重復(fù)性好和條件易于控制等優(yōu)點(diǎn)，比物理風(fēng)洞更自由，更靈活，并能補(bǔ)充物理風(fēng)洞試驗(yàn)的不足。本文采用RNGk-?著湍流模型對(duì)某橋主翼結(jié)構(gòu)的測(cè)力節(jié)段2的六分力系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并與風(fēng)洞模型試驗(yàn)結(jié)果作了對(duì)比分析，驗(yàn)證了采用CFD技術(shù)識(shí)別橋梁六分力系數(shù)方法的可靠性。

1．靜力六分力系數(shù)

1.1體軸坐標(biāo)系下靜力六分力系數(shù)

對(duì)于空間結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的橋梁，其任一斷面的風(fēng)荷載不能代表其它斷面的風(fēng)荷載。例如斜梁橋或者曲線梁橋，該類橋梁處在風(fēng)場(chǎng)中，只進(jìn)行靜力三分力試驗(yàn)，不能完全算出其真實(shí)的受力狀態(tài)，需要進(jìn)行靜力六分力試驗(yàn)。某個(gè)斷面的風(fēng)荷載包含F(xiàn)X’、FY’、FZ’、MX’、MY’、MZ’六個(gè)分量。

六分力是按照橋梁斷面本身的體軸坐標(biāo)系來(lái)分解定義的，因此稱為體軸坐標(biāo)系下的六分力。進(jìn)行靜力六分力風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，是在橫橋向的均勻流風(fēng)場(chǎng)中，變化試驗(yàn)攻角?琢，測(cè)出體軸坐標(biāo)系節(jié)段模型受到的力和力矩：FX’、FY’、FZ’、MX’、MY’、MZ’，體軸坐標(biāo)系下所受的靜力風(fēng)荷載可以由式（1）表示：

FX’=0.5?籽UCAFY’=0.5?籽UCAFZ’=0.5?籽UCAMX’=0.5?籽UCABMY’=0.5?籽UCABMZ’=0.5?籽UCAB （1）

體軸坐標(biāo)系下的六分力系數(shù)CX’、CY’、CZ’、CMX’、CMY’、CMZ’可由式

（2）計(jì)算出：

CX’=2F/(?籽UA)CY’=2F/(?籽UA)CZ’=2F/(?籽UA)CMX’=2M/(?籽UAB)CMY’=2M/(?籽UAB)CMZ=2M/(?籽UAB) （2）

式（2）中?籽和U分別為空氣密度和來(lái)流速度；A為相應(yīng)的參考面積，A=BL，L為模型的豎直長(zhǎng)度，BX、BS分別為為模型的上部寬度、下部寬度。B為上、下寬度的平均值。

1.2 風(fēng)軸坐標(biāo)系下靜力六分力系數(shù)

在風(fēng)洞試驗(yàn)中需要按風(fēng)軸坐標(biāo)系來(lái)測(cè)定六分力。

風(fēng)軸坐標(biāo)系下的六分力依次記為F、F、F、M、M、M。顯然，風(fēng)軸坐標(biāo)系

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