基于fluen的車橋系統(tǒng)氣動分析

基于fluen的車橋系統(tǒng)氣動分析

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和交通便利，有許多大傾角橋梁出現(xiàn)。側(cè)風(fēng)橋車輛的駕駛安全受到了人們的高度重視。在風(fēng)-車-橋耦合振動研究中,車輛和橋梁的氣動特性是重要研究內(nèi)容之一,然而車輛和橋梁之間存在相互的氣動影響,表現(xiàn)在有車輛和無車輛時的橋梁空氣繞流不同,車輛的存在影響著橋梁斷面的氣動特性;在路面上和在橋面上的車輛空氣繞流場不同,處在橋梁繞流場中的車輛的氣動特性較路面上有所改變。因此,對車橋系統(tǒng)的氣動特性的研究,具有重要的理論實踐意義。在以往很多的關(guān)于風(fēng)-車-橋耦合振動的研究中都未考慮車輛和橋梁之間的相互氣動影響,近年來其逐漸引起了學(xué)者們廣泛關(guān)注。然而風(fēng)洞實驗一直是橋梁風(fēng)工程和車輛空氣動力學(xué)研究中的傳統(tǒng)方法,國內(nèi)學(xué)者通過節(jié)段模型的風(fēng)洞實驗測試并研究了靜止列車和橋梁間的相互氣動影響,但是其投資大、耗時長、試驗條件難控制,隨著計算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)的迅速發(fā)展,計算流體動力學(xué)CFD(CalculationFluidDynamics)的方法被廣泛運用到研究中來。岳澄等就某輕軌橋梁過車時,采用CFD模擬方法建立了車輛單體、橋梁單體和車橋耦合體模型,研究了車橋耦合氣動力特性,但是其是針對靜止列車和鐵路橋的二維分析模型;李永樂等建立了考慮車輛運動的三維空間動態(tài)分析模型,對靜動態(tài)車-橋體系進(jìn)行分析,仍然是關(guān)于鐵路橋的研究,但對于公路橋梁的研究有很大借鑒作用;韓艷等采用流體計算軟件CFX,分析了靜止車輛對公路橋梁靜氣動力的影響,風(fēng)攻角和風(fēng)場的紊流對車橋靜氣動力的影響。文中以車輛通過大跨度公路橋梁為研究背景,基于CFD數(shù)值模擬方法,采用流體軟件FLUENT建立車橋系統(tǒng)的三維分析模型,對車橋系統(tǒng)的氣動力參數(shù)進(jìn)行計算,分析了車輛和橋梁相互的氣動影響、靜止車輛與移動車輛氣動力參數(shù)的不同,以及車輛在橋梁上移動時風(fēng)速與車速對車橋系統(tǒng)氣動特性的影響。1數(shù)值模擬1.1多橋幾何尺寸車輛三維模型以及大跨度橋梁主梁斷面的幾何尺寸如圖1所示。1.2回流場的影響采用FLUENT分別建立車輛、橋梁和車橋系統(tǒng)模型,對于車橋系統(tǒng)模型,為了排除橋梁端部對汽車流場的影響,橋梁長度取60m,車輛布置在橋的迎風(fēng)一側(cè),底部距離橋面0.5m,縱向上處于主梁的中間,橫向上距離主梁中間線9.5m。如圖2所示,計算域的網(wǎng)格劃分采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的四面體單元,在車輛和橋梁附近進(jìn)行網(wǎng)格加密,遠(yuǎn)離車輛和橋梁的位置網(wǎng)格較為稀疏。1.3梁內(nèi)部邊界條件條件如圖3所示,計算域:車輛和橋梁主梁斷面的高度為H,前方來流邊界距離橋梁中心線15H,后方邊界距離橋梁中心線25H,頂部和底部邊界分別距離車橋的上下表面11H;邊界條件:入口采用速度入口邊界條件,出口采用壓力出口邊界條件,車輛和橋梁的表面采用無滑移壁面邊界條件,頂部和底部邊界及側(cè)面邊界均采用對稱邊界條件。參考壓力采用1個大氣壓,流動采用非定常流動,采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型,車輛的運動使用UDF函數(shù)來實現(xiàn)。2車輛的運動能力如圖4所示,作用于車輛上的氣動力和氣動力矩,即六分力,定義為其中,FD、FS、FL分別表示風(fēng)荷載作用在車輛質(zhì)心的阻力、側(cè)力、升力,RM、PM、YM則分別表示側(cè)傾力矩、俯仰力矩、橫擺力矩;相應(yīng)的CD(ψ)、CS(ψ)、CL(ψ)分別表示車輛的阻力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù),而CR(ψ)、CP(ψ)、CY(ψ)則對應(yīng)著側(cè)傾力矩系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)、橫擺力矩系數(shù);AV表示車輛側(cè)向的投影面積;hV表示車輛質(zhì)心高度;ψ表示風(fēng)偏角,即車輛相對來流風(fēng)速的夾角。如圖5所示,在體軸坐標(biāo)系下,作用于橋梁上的三分力定義為其中,FH、FV、M分別表示體軸坐標(biāo)系下,風(fēng)荷載作用在橋梁主梁斷面形心的阻力、升力、升力矩;CH、CV、CM分別表示體軸坐標(biāo)系下的橋梁主梁斷面的阻力系數(shù)、升力系數(shù)、升力矩系數(shù);ρ表示空氣密度;U表示平均風(fēng)速;D、B分別表示橋梁主梁斷面的高度和寬度。圖5中,α表示風(fēng)攻角。3結(jié)論分析以風(fēng)偏角、風(fēng)攻角以及風(fēng)速與車速作為參數(shù),進(jìn)行參數(shù)化分析,模擬工況如表1所示。3.1不同風(fēng)攻角下的車輛氣動特性對工況一和工況三的結(jié)果進(jìn)行比較,在相同的0°風(fēng)攻角和20m/s風(fēng)速下,風(fēng)偏角從30°到90°,間隔10°變化,車輛單體模型和車橋系統(tǒng)模型中車輛的氣動力參數(shù)如圖6所示,可以看出:(1)橋面上,車輛的側(cè)力系數(shù)明顯大于地面上的情況,最大相差百分比超過了50%,偏轉(zhuǎn)力矩系數(shù)亦是如此;(2)在地面上,車輛的升力系數(shù)基本是隨著風(fēng)偏角的增大而增大的,側(cè)傾力矩系數(shù)是隨著風(fēng)偏角的增大而減小的,但是在橋面上,變化趨勢卻完全相反;(3)相對于其他四個氣動力參數(shù),橋梁的存在對于車輛的阻力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)影響并不十分顯著,其隨風(fēng)偏角的變化趨勢沒有改變,數(shù)值變化約為10%。車輛在橋面上,橋面的繞流場對車輛的氣動特性有一定的影響,車輛底部流動受阻是車輛氣動力參數(shù)改變的主要因素。橋面的流場和車輛底面的流場互相干擾,阻礙了車輛底部的流場,引起車輛頂面和底面以及兩個側(cè)面的壓力差發(fā)生變化,導(dǎo)致了升力系數(shù)的變化以及側(cè)力系數(shù)的顯著增大,進(jìn)而導(dǎo)致了其他氣動力參數(shù)較地面上的情況有所不同。對工況二和工況三的結(jié)果進(jìn)行比較,在相同的90°風(fēng)偏角和20m/s風(fēng)速下,風(fēng)攻角從-6°到6°,間隔2°變化,橋梁單體模型和車橋系統(tǒng)模型中的橋梁的氣動力參數(shù)如圖7所示,可以看出:(1)車橋系統(tǒng)中的橋梁與單橋相比,氣動力參數(shù)隨風(fēng)攻角的變化趨勢相同,即阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨著風(fēng)攻角的增加而增加,而升力矩系數(shù)則反之;(2)車橋系統(tǒng)中的橋梁與單橋的氣動力參數(shù)普遍不同,車輛對橋梁的氣動特性影響較為顯著;(3)車橋系統(tǒng)中的橋梁主梁斷面的阻力系數(shù)、升力系數(shù)以及升力矩系數(shù)均大于單橋。車輛的存在,改變了橋梁上下表面的壓力場,顯著影響了橋梁氣動特性。當(dāng)橋面上有車輛時,迎風(fēng)面壓力值增大,而背風(fēng)面負(fù)壓力值減小,導(dǎo)致橋梁主梁斷面的阻力系數(shù)變大;同時,車輛的背風(fēng)面會產(chǎn)生負(fù)壓,而車輛在橋梁上表面之上,引起橋梁的上下表面的壓力差減小,導(dǎo)致主梁斷面的升力系數(shù)變大;由于阻力系數(shù)和升力系數(shù)的增大,共同導(dǎo)致了升力矩系數(shù)也發(fā)生了變化。3.2車速對車輛升力系數(shù)的影響對工況三進(jìn)行分析,風(fēng)速取定值20m/s,車輛靜止在橋梁上和以60、80、100km/h在橋梁上移動,車橋氣動力參數(shù)如表3所示,可以看出:(1)與靜止車輛相比,移動車輛的阻力系數(shù)和側(cè)力系數(shù)較大,而升力系數(shù)的絕對值則較小;(2)在一定的風(fēng)速下,隨著車速的提高,車輛的阻力系數(shù)和側(cè)力系數(shù)增大,升力系數(shù)絕對值減小;(3)橋梁的升力系數(shù)隨車速增大而增大,而阻力系數(shù)和升力矩系數(shù)變化不顯著,例如,車速從80km/h增大到100km/h時,升力系數(shù)增大了75%,而阻力系數(shù)僅增大了2.19%,升力矩系數(shù)增大16%。相對于靜止的車輛,以不同車速移動的車輛,其阻力系數(shù)是非線性增長的,在100km/h時增幅達(dá)到最大值43.8%,反映了車速越快,車輛受到的阻力越大;升力系數(shù)的絕對值是遞減的,移動車輛較靜止車輛的最大變化幅度為48.2%,車速對升力系數(shù)影響較為顯著;風(fēng)速一定時,車速的提高導(dǎo)致側(cè)力系數(shù)增大,且車速越大其增幅越大;因此,為了側(cè)風(fēng)下的行車安全,控制車速是必要的。另一方面,從氣動力參數(shù)的變化幅度來看,移動車輛對橋梁氣動力參數(shù)的影響相對較小。3.3車輛的阻力及側(cè)風(fēng)風(fēng)速對工況三進(jìn)行分析,車速取定值60km/h,風(fēng)速分別為10、20、30m/s,車橋氣動力參數(shù)如表4所示,可以看出:(1)在一定的車速下,隨著風(fēng)速的增大,車輛的阻力系數(shù)減小,升力系數(shù)減小且方向為負(fù),側(cè)力系數(shù)顯著增大;(2)橋梁的升力系數(shù)和升力矩系數(shù)隨風(fēng)速增大而增大,而阻力系數(shù)變化不明顯,風(fēng)速從10m/s增大到20m/s時,阻力系數(shù)僅變化了0.63%。側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增大,導(dǎo)致車橋繞流場的流動加劇,對氣動特性影響較大。其中,風(fēng)速越大,側(cè)力系數(shù)增長越多,最大增幅達(dá)到28.2%,由于側(cè)風(fēng)風(fēng)速的提高,施加給車輛的側(cè)力變大,導(dǎo)致側(cè)力系數(shù)增大,這同時也反映了在一定車速下,側(cè)風(fēng)風(fēng)速的提高會增加行車危險,公路橋梁遇大風(fēng)時限制交通是必要的。4車輛的氣動力參數(shù)(1)由于車橋之間的氣動干擾,與地面上車輛相比,橋面上車輛的氣動力參數(shù)發(fā)生顯著變化,其中,側(cè)力系數(shù)和偏轉(zhuǎn)力矩系數(shù)顯著增大,而升力系數(shù)和側(cè)傾力矩系數(shù)隨風(fēng)偏角的變化趨勢與地面上車輛則完全相反;(2)與單橋相比,車橋系統(tǒng)中的橋梁主梁斷面的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升力矩系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化趨勢一致,但是由于車輛的存在改變了橋梁上下表面的壓力場,引起橋梁氣動力參數(shù)的普