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双矩形拱肋间的气动干扰效应研究

张航 唐浩俊 莫威 李永乐

张航, 唐浩俊, 莫威, 李永乐. 双矩形拱肋间的气动干扰效应研究[J]. 工程力学, 2023, 40(6): 131-143. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0889
引用本文: 张航, 唐浩俊, 莫威, 李永乐. 双矩形拱肋间的气动干扰效应研究[J]. 工程力学, 2023, 40(6): 131-143. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0889
ZHANG Hang, TANG Hao-jun, MO Wei, LI Yong-le. RESEARCH ON AERODYNAMIC INTERFERENCE BETWEEN TWO ARCH RIBS WITH RECTANGLE CROSS SECTIONS[J]. Engineering Mechanics, 2023, 40(6): 131-143. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0889
Citation: ZHANG Hang, TANG Hao-jun, MO Wei, LI Yong-le. RESEARCH ON AERODYNAMIC INTERFERENCE BETWEEN TWO ARCH RIBS WITH RECTANGLE CROSS SECTIONS[J]. Engineering Mechanics, 2023, 40(6): 131-143. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0889

双矩形拱肋间的气动干扰效应研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0889
基金项目: 国家自然科学基金项目(52178507)
详细信息
    作者简介:

    张 航(1995−),男,云南昭通人,硕士生,主要从事桥梁风工程研究(E-mail: hh@my.swjtu.edu.cn)

    莫 威(1998−),男,四川广安人,硕士生,主要从事桥梁风工程研究(E-mail: 850980708@qq.com)

    李永乐(1972−),男,河南洛阳人,教授,博士,博导,主要从事桥梁风工程及车桥耦合振动研究(E-mail: lele@swjtu.edu.cn)

    通讯作者:

    唐浩俊(1988−),男,四川成都人,副教授,博士,硕导,主要从事桥梁风工程研究(E-mail: thj@swjtu.edu.cn)

  • 中图分类号: U448.22

RESEARCH ON AERODYNAMIC INTERFERENCE BETWEEN TWO ARCH RIBS WITH RECTANGLE CROSS SECTIONS

  • 摘要: 以某拱桥为例,通过数值模拟研究了串列双矩形拱肋的气动干扰效应,及其对两截面气动力系数的影响。在对计算模型进行验证的基础上,进一步研究了截面宽高比、间距比和来流风攻角对拱肋周围流场的影响,并结合压力云图和湍动能云图解释了气动力系数的变化规律,讨论了不同宽高比截面的漩涡脱落频率与结构自振频率之间的关系,分析了两拱肋升力时程的差异对整体扭矩可能产生的增大效应。结果表明:串列拱肋间的气动干扰效应显著。受上游截面尾流的影响,下游截面的阻力系数明显减小,其值与漩涡的形态、能量大小、移动轨迹等因素密切相关。上、下游截面的升力时程在幅值和相位上存在明显差异,导致拱肋整体的力矩增大,其效应随宽高比或间距比的增大而明显加强,随风攻角的增大而有所降低。漩涡脱落频率随宽高比的增大呈先增大后减小的趋势,而受间距比、风攻角的影响有限。对漩涡脱落频率与宽高比的变化进行多项式拟合,结合结构的模态频率可为拱肋的气动外形设计提供参考。
  • 图  1  研究对象示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of the research object

    图  2  成桥阶段有限元模型

    Figure  2.  Finite element model in the service stage

    图  3  施工阶段有限元模型

    Figure  3.  Finite element model in the construction stage

    图  4  计算区域

    Figure  4.  Calculation region

    图  5  计算区域网格划分

    Figure  5.  Grid generation of the computing area

    图  6  气动力系数正向定义

    Figure  6.  Forward definition of aerodynamic coefficients

    图  7  算例网格划分

    Figure  7.  Grid generation of the example

    图  8  方形阻力系数CH和升力系数CV随时间t变化图

    Figure  8.  CH and CV versus t of square

    图  9  阻力系数CH随宽高比b/h的变化

    Figure  9.  CH versus b/h

    图  10  不同宽高比b/h的升力系数CV时程曲线

    Figure  10.  CV time history curve with different b/h

    图  11  不同宽高比b/h截面的时均压力云图 /Pa

    Figure  11.  Contours of mean pressure at different aspect ratios

    图  12  不同宽高比b/h截面的湍动能云图(时间间隔T/5) /(m2/s2)

    Figure  12.  Turbulent kinetic energy contours at different b/h (time interval: T/5)

    图  13  漩涡脱落频率f随宽高比b/h的变化

    Figure  13.  Vortex shedding frequency f versus b/h

    图  14  阻力系数CH随间距比d/b的变化

    Figure  14.  CH versus d/b

    图  15  不同间距比d/b的升力系数CV时程曲线

    Figure  15.  CV time history curve with different d/b

    图  16  不同间距比d/b截面的时均压力云图 /Pa

    Figure  16.  Contours of mean pressure at different spacing ratios d/b

    图  17  不同间距比d/b截面的湍动能云图(时间间隔T/4) /(m2/s2)

    Figure  17.  Turbulent kinetic energy contours at different d/b (time interval: T/4)

    图  18  阻力系数CH随风攻角的变化

    Figure  18.  CH versus wind attack angle

    图  19  漩涡脱落频率f随风攻角的变化

    Figure  19.  Vortex shedding frequency versus wind attack angle

    图  20  不同风攻角下截面的湍动能云图(时间间隔T/5) /(m2/s2)

    Figure  20.  Turbulent kinetic energy contours at different α (Time interval: T/5)

    表  1  计算断面参数取值

    Table  1.   Parameters of section for calculation

    计算区域参数变高度模型变间距模型
    C=b/hC=d/b
    b/m33333
    h/m3.0~4.05.0~7.58.6~10203.3
    C1~0.750.6~0.40.35~0.30.151~15
    L1/m25b30b40b50b25b
    L2/m60b100b120b150b60b−(23.5−d)
    d/m23.523.523.523.53~45
    H/m50h50h50h50h50h
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    表  2  单个矩形阻力系数CH验证结果

    Table  2.   CH verification of single rectangle

    宽高比b/h=0.9矩形宽高比b/h=1方形
    网格数量时间步长t/sCH相对本文采用误差/(%)CHCH参考值, 雷诺数Re/(×104)
    51 4000.012.238.31.99(Re=3×106)2.00[15]2.21, 2.2[2]2.00, 8[5]2.10, 69[16]2.04~2.05,30~350[17]2.2, 2.2[18]1.97, 0.3[19]2.1, 2.14[20]
    139 8002.06
    196 0002.081.0
    285 0002.101.9
    139 8000.0052.112.4
    0.012.06
    0.051.983.9
    0.11.8112.1
    规范取值[15]2.060.0
    注:带下划线的网格数量和时间步长为本文采用计算参数。
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    表  3  串列矩形阻力系数CH验证结果

    Table  3.   CH verification of tandem rectangle

    宽高比b/h=0.9网格数量上游CH下游CH上游CH误差/(%)下游CH误差/(%)
    时间步长0.01 s224 3002.010.770.515.4
    275 3682.020.91
    315 9752.000.941.0 3.3
    338 3001.990.891.5 2.2
    b/h=0.9时间步长/s上游CH下游CH上游CH误差/(%)下游CH误差/(%)
    网格数量275 3680.0052.040.89 1.0 2.2
    0.012.020.91
    0.051.640.8318.8 8.8
    0.11.690.7316.319.8
    注:带下划线的网格数量和时间步长为本文采用计算参数。
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    表  4  力矩系数均方根值RMS和K值随宽高比b/h的变化

    Table  4.   RMS moment coefficient and K versus b/h

    高度h /m 宽高比b/h 串列矩形RMS K
    上游 下游 整体
    20.00 0.15 15.2 8.4 34.3 1.5
    10.00 0.30 2.2 1.0 9.2 2.9
    8.57 0.35 1.5 0.9 13.1 5.6
    7.50 0.40 0.9 0.4 16.8 12.2
    6.60 0.45 0.7 0.4 19.0 18.2
    6.00 0.50 0.7 0.4 19.4 18.3
    5.45 0.55 0.6 0.4 18.7 20.7
    5.00 0.60 0.4 0.2 17.8 30.4
    4.00 0.75 0.2 0.1 14.3 46.4
    3.33 0.90 0.1 0.1 9.9 50.1
    3.00 1.00 0.1 0.1 11.4 50.5
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    表  5  串列矩形力矩系数均方根值RMS和K值随间距比d/b的变化

    Table  5.   RMS moment coefficient and K versus d/b

    间距d/m 间距比d/b 串列矩形RMS K
    上游 下游 整体
    3.0 1.00 0.0 0.1 0.9 7.7
    6.3 2.10 0.0 0.1 1.0 8.0
    6.6 2.20 0.1 0.3 3.7 9.7
    6.9 2.30 0.1 0.3 3.9 9.9
    7.2 2.40 0.1 0.2 3.5 9.8
    9.0 3.00 0.1 0.2 3.1 11.1
    18.0 6.00 0.1 0.1 5.1 24.0
    23.5 7.83 0.1 0.1 9.9 50.1
    27.0 9.00 0.1 0.1 11.2 65.3
    36.0 12.00 0.1 0.1 10.6 54.4
    45.0 15.00 0.1 0.1 14.0 75.2
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    表  6  串列矩形力矩系数均方根值RMS和K值随风攻角的变化

    Table  6.   RMS moment coefficient and K versus wind attack angle

    风攻角/(°) b/h=0.75 b/h=0.60 b/h=0.45
    RMS K RMS K RMS K
    上游 下游 整体 上游 下游 整体 上游 下游 整体
    0 0.23 0.07 14.23 46.35 0.43 0.15 17.79 30.38 0.68 0.37 19.05 18.18
    3 0.19 0.05 10.01 41.42 0.42 0.17 17.46 29.34 0.67 0.27 18.24 19.42
    5 0.20 0.15 14.12 40.14 0.40 0.21 17.59 28.67 0.67 0.30 16.91 17.36
    7 0.23 0.09 13.44 42.77 0.42 0.18 18.03 30.43 0.68 0.26 18.25 19.43
    10 0.19 0.05 10.06 41.37 0.42 0.18 17.02 28.49 0.74 0.40 18.57 16.40
    12 0.19 0.06 10.35 41.28 0.40 0.21 17.09 27.94 0.84 0.35 18.21 15.21
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-13
  • 修回日期:  2022-01-28
  • 录用日期:  2022-02-28
  • 网络出版日期:  2022-02-28
  • 刊出日期:  2023-06-25

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