钝体及钢箱梁非定常气动特征的三维模拟
桥梁跨径增大使得桥梁抗风问题越来越突出。多年来桥梁抗风评价主要是通过风洞试验开展，但随着计算机的快速发展，通过数值风洞来研究钝体及桥梁构件气动特征已成为风洞试验之外的另一重要研究手段。研究方法已从二维和定常模拟向三维和非定常研究发展。本文针对典型的钝体及钢箱梁开展了二维和三维大涡数值模拟研究。主要研究内容和结果如下:
首先，利用二维数值模拟得到了矩形断面绕流的气动力系数，得到了表面压力的主要分布形态，计算了流体在表面的平均再附点位置，分析了升力特征点对应的涡脱形态;通过三维大涡模拟研究了断面气动特性，得到了计算域展向网格密度要求(δz/D≤0.1)，三维计算得到的表面压力分布及脉动升力系数相对于二维计算结果更精确。
其次，通过三维大涡模拟得到了圆柱表面平均压力系数及脉动压力系数的分布，得到了圆柱绕流的分离点及旋涡脱落位置，分析了周期性旋涡脱落对圆柱表面压力的影响，并通过可视化流场分析了沿展向不同步的涡脱现象，得到了涡脱相位差。计算得到了圆柱展向升力的相关性，并计算了展向相关长度，提出了截面脉动升力概念并获得了系数值。由展向不同间距圆柱表面压力的相干性分析知流体的分离导致相干性下降，
最后，计算了一实桥扁平钢箱梁的气动绕流特征。分析认为节段模型测力试验展向长度至少为0.5B，指出了此类流线型断面不同于钝体断面的绕流特征，从流动机理上分析了平均压力及脉动压力的分布，同时分析了展向涡脱特性，并计算得到了钢箱梁气动力系数值。
本文主要是以二维数值计算及风洞试验结果为基础，开展了三维大涡模拟数值计算的工作，对于矩形及圆柱体钝体绕流得到了大涡模拟所需展向网格密度的最低要求(δz/D≤0.1)，得到了与风洞试验吻合良好的气动特征，通过可视化的绕流流场对钝体及钢箱梁涡脱特性进行了详细的分析。
风洞试验;矩形断面;钝体;桥梁构件;气动特征;桥梁抗风评价;三维模拟
湖南大学
硕士
桥梁与隧道工程
祝志文
2013
中文
U441.2
92
2013-11-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）