Fluent在工程结构抗风实验教学中的应用

胡 朋, 韩 艳

(长沙理工大学 土木与建筑学院, 湖南 长沙 410114)

Fluent在工程结构抗风实验教学中的应用

胡 朋, 韩 艳

(长沙理工大学 土木与建筑学院, 湖南 长沙 410114)

以一座实际的大跨度桥梁桥址区风场分析为例,介绍了计算流体动力学的工具软件Fluent在工程结构抗风实验教学中的应用。介绍了Fluent软件的特点和工程结构抗风分析所需的调查资料,阐述了基于Fluent软件的地形模型建模与数值计算,分析了风场计算结果,并利用Fluent软件的可视化功能对风场结果进行了解释。在该实验建模过程中,学生的动手能力、创新意识和创新能力得到提高。

工程结构抗风； 实验教学； Fluent应用

1 工程结构抗风实验教学现状

工程结构抗风是土木工程专业开设的一门比较新的专业课程,其主要内容是大跨度桥梁结构、大跨与高耸建筑结构以及大型特种结构的抗风。这些结构的自振频率较低,对风的作用较为敏感。随着大型结构工程增多,国内对工程结构抗风领域的人才需求越来越迫切[1-2]。

在工程结构抗风教学改革研究方面,文献[3-4]介绍了采用案例教学法、问答式教学法等教学方法,取得了较好的教学效果；文献[5]介绍了教学体系、方法、内容以及考核手段等方面的改革,使学生能够系统、全面地认识和掌握结构抗风设计方法。然而,目前有关风工程课程主要面向研究生开设。

随着国家对创新型人才培养的重视,针对本科生开展科研活动愈显重要[6-7]。有些学校采用逆向教学方法、数值模拟和实验方法对本科工程结构抗风工程的教学改革进行了探索,取得了较好的效果[1],然而主要还是常规的课堂教学。

事实上,针对本科生进行工程结构抗风的实验教学对培养创新型人才尤为重要[6-8],它可以培养本科生的动手能力、创新意识和创新能力。为此,长沙理工大学在为本科生开设的工程结构抗风实验课程中,采用了计算流体动力学(CFD)软件Fluent为基本工具,以一座大跨度悬索桥为工程背景,采用软件前期建模、进行数值计算、最后结合数据进行分析的实验教学方法,使本科生深入了解工程结构抗风的基本分析方法,锻炼了学生的动手能力,也培养了学生的创新意识和创新能力。

2 Fluent软件介绍和工程基础资料调查分析

首先了解Fluent软件的基本特点和工程基础资料的调查,帮助学生了解工程结构抗风的基本过程。

2.1 Fluent软件简介

Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包,凡是和流体、热传递和化学反应等有关的领域均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能,在航空航天、土木工程、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。在Fluent软件系统中,前处理器模块(如Gambit和ICEM CFD软件)用于完成前处理工作(如区域确定、网格划分等)；求解器模块(如Fluent，CFX，Polyflow等)是CFD软件的核心,主要用于数值求解、计算模拟流场；后处理器模块(如CFD-Post，Tecplot等)主要用于计算数据的分析处理和可视化,从而可有效地观察和分析计算结果。目前市场上有关Fluent的书籍较多,在具体教学中,可让学生先熟悉软件基本的操作流程。

2.2 工程基础资料调查分析

图1为一座大跨度悬索大桥的桥跨布置示意图。该大桥为主跨1 196 m的单跨悬索桥,西桥塔与东桥塔的高度(承台底到塔顶)分别为137.7 m与178.7 m。从图1可知,该大桥跨度大、桥塔高,结构较为柔性,对风的作用非常敏感,桥梁结构的抗风性能应为该桥设计的控制性因素。此外,该桥为典型的深切峡谷悬索桥,大桥垂直跨越峡谷,峡谷两岸地势陡峭,横剖面呈V形,地形地貌复杂,风特性差异较大。若仅基于相关规范或规定而不考虑桥址区地形的具体特征而确定桥梁的抗风参数,这将会导致较大的误差,甚至会出现重大错误。根据《公路桥梁抗风设计规范》[9],该类型大桥的风场参数可通过地形模型的CFD数值模拟的方法得到。笔者探索以该桥实际工程为背景,将Fluent应用于本科生工程结构抗风课程实验教学中。

图1 大跨度悬索桥桥跨布置示意图(单位：cm)

3 基于Fluent软件的地形模型建模与数值计算

3.1 地形模型的建模

地形模型的建模是将桥址区的地形模型化,为在Fluent中计算作准备。有两种方法可供使用：

其一,利用设计方提供的桥址区周围等高线的CAD图形,通过第三方软件(如Global Mapper)提取出三维坐标点阵,然后采用Fluent的前处理软件Gambit将该点阵直接生成桥址区地形的底面；

其二,在Google Earth等地图软件中,找到桥址区位置,直接提取出一定范围内的三维坐标点阵,然后同样采用Gambit软件生成地形的底面。

一般来说,第一种方法的精度较高,但等高线的CAD资料不易获取,而第二种方法的资料容易获取,但地形高程的精度较低。在具体使用时,可视所提供的资料选取。本次建模利用第一种方法,选取的地形范围为8 km×8 km区域,如图2所示。图中心线段为桥轴线。

图2 桥址区地形数值分析模型图

3.2 网格的划分

当桥址区地形模型建成后,通过选取适当的区域高度,就可以建立整个桥址区地形模型的数值分析区域。网格划分时要仔细规划,因为网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响。对于复杂的CFD问题,网格生成极为耗时,且极易出错,生成网格的时间也较长。原则上,越重要、流动越复杂的区域,网格划分应越密。

为了满足壁面边界上的流动条件,第一层贴壁网格的高度不要过大,对于使用一般的壁面函数,y+值要满足30

此外,在高度上,第一层网格较密，为5 m。高度越高,网格逐渐变稀疏[11],最终划分的网格约200万个(见图3)。

图3 计算区域网格划分示意图

3.3 边界条件的定义

网格划分完成后,就要定义边界条件。在工程结构抗风中,常用的边界条件为壁面(wall)条件、速度入口(velocity inlet)条件以及压力出口(pressure out)条件。其中壁面条件用于限定流体和固体区域,默认设置为无滑移边界条件,在本模型中可用于模拟地形的底面。速度入口条件用于定义流动进口处的速度等参数,在本模型中可用于模拟来流条件。压力出口条件用于定义流动出口的静压,在本模型中可用于模拟模型的出口条件。本模型的边界条件定义如图3所示,此时模拟来流方向垂直于桥轴线方向(风向几乎平行于桥位附近的河道,如图2所示)。

3.4 数值计算

在进行数值计算之前,要针对研究对象预先布置相应的测点。对于本文的大跨度桥梁,为方便考察复杂地形桥址区的风特性,沿主梁轴向均匀布置9个风速观测点,同时在主梁1/4跨、跨中及3/4跨处沿高度方向布置若干个风速观测点,沿主梁分布和垂直主梁分布的各风速观测点的位置如图4所示，图中H为高程值，x为主梁横坐标值。

图4 风速观测点位置图

在具体计算时,首先要确定计算类型为定常计算，还是非定常计算。

定常计算是指流场参数不随时间变化的计算方法,反之则为非定常计算方法。一般来说,对于复杂地形区域的风场计算,其风场参数应随时间变化。考虑到目前只计算主梁跨中处的平均风特性,由于主梁跨中离地较高,其平均风速随时间的变化应不非常显著,因此,现阶段在本科生的实验教学中可初步选用定常计算。定常计算也可大大加快计算速度。

其次,要选择湍流模型。目前常用的湍流数值模拟方法包括两大类：雷诺平均(RANS)方法和大涡模拟(LES)方法。简言之,RANS方法对网格要求相对较低,计算效率较高,但精度一般；而LES方法对网格要求较高,网格数量较多,虽然计算效率较低,但计算精度很高。根据工程应用和本科生实验教学特点,在不涉及复杂的湍流理论下,建议采用RANS模型。

在RANS模型中,兼顾计算精度与计算效率,可推荐使用SSTk-ω湍流模型。对于本算例,在定义速度入口(velocity inlet)边界条件时,其中平均风速的风剖面可参考已有研究[12],最终确定形式如式(1)所示,而湍流参数可参照规范中的相应参数进行设置[9]。

(1)

式中H为高程值，V为入口处风速值。

为进一步提高计算精度,求解时压力与速度耦合采用SIMPLEC算法,动量方程、湍动能方程和比耗散率方程均采用二阶离散格式,采用入口边界来流风速对流场进行初始化。在计算过程中监视残差变化并评价各观测点在每个迭代步输出的风速值,当残差曲线不再下降且各观测点的风速值变化很小时,认为整个流场求解收敛。

4 风场数据分析

计算收敛后,可得到各风速观测点的风速值,其中顺桥向风速、横桥向风速和竖向风速分量分别用u、v、w表示；风攻角对主梁抗风性能有重要影响,本文定义风攻角α= tan-1(w/|v|),其中正攻角代表上升气流,负攻角代表下降气流。经过计算能得到的风特性参数较多,在此只分析最基本、也是最具代表性的平均风速、风剖面以及风攻角等参数。

图5为平均风速(指横桥向风速)和风攻角沿桥轴向的分布情况。由图可知,平均风速沿桥轴向的分布并非一致,其值由西向东有逐渐增大的趋势。总体上,风攻角的变化与平均风速有一定的负相关性,即其值由西向东有逐渐减小的趋势。

图5 横桥向风速与风攻角沿桥轴向的分布

图6为1/4跨、跨中和3/4跨处的平均风速剖面。由图可知,1/4跨、跨中处的风速剖面均有拐点,风速也相对较小,而3/4跨处的风速剖面较为光滑,风速值也较大。

图6 沿主梁不同位置的风速剖面

为解释和确认图5和图6中的结果,绘制了1/4跨、跨中和3/4跨处横截面的平均风速云图(见图7)。由图可知,1/4跨、跨中处均处于前方山体的尾部分离流中,受气流分离的影响,此两处的风剖面风速较小,风攻角较大；而对于3/4桥跨处,由于前方地形相对平坦,无明显的气流分离现象,从而使该处的风速沿高度逐渐增大,风攻角也较小。这也就清楚地解释了图5和图6中的现象。

图7 1/4桥跨、跨中及3/4桥跨横截面的平均风速云图

通过以上数值模拟可知,处于峡谷中的桥梁,其风速和风攻角沿桥轴向并非一致,而是呈现一定的非均匀性,这与处于常规平坦均匀场地的桥址区风场特性有显著不同。同时,通过Fluent的可视化功能,可以察看气流的流动,这有利于对流场机理的理解。

通过上述的分析和讨论,可让学生更深入地认识复杂流动的机理,增强分析问题的能力,从而激发创新意识和创新能力。

5 结语

针对工程结构抗风课程的本科实验教学,采用了计算流体动力学软件Fluent为工具,通过一座实际的大跨度桥梁桥址区风场分析,介绍了Fluent软件的特点和面向桥梁抗风分析的工程基础资料的前期调查,阐述了基于Fluent软件的地形模型建模与数值计算,最后计算分析了桥址区的风场结果,并利用Fluent的可视化功能,对风场结果进行了解释。

在教学实践过程中,通过对本科生的教授与讲解,发现学生从好奇转而主动寻找资料书籍查阅。在建模时,从对软件的熟悉到地形建模的完成,有助于学生动手能力的提高。在具体结合桥梁进行风场数值分析时,学生对桥梁抗风关键参数的选取有了进一步的理解。更为重要的是,可以通过Fluent的可视化功能解释风场的机理,有利于对学生创新意识和创新能力的培养。在整个教学过程中,学生普遍反映Fluent是一个很强大的工具,并表现出浓厚的学习兴趣。部分学生表示在后续研究生学习中,将继续学习Fluent和桥梁抗风知识。这也反映出通过本课程的学习,激发了本科生的创新能力和科研热情。

References)

[1] 马文勇,尉耀元,谷玉荣,等.本科生风工程教学方法探索[J].教育教学论坛,2012(31):118-120.

[2] 王咏梅,王印松,曾新.基于虚拟仿真技术的风电教学系统的实现[J].仪器仪表用户,2011,18(5):39-41.

[3] 许福友,张丽娜.案例式教学方法在《桥梁抗风》课程中的应用[J].教育教学论坛,2015(50):152-153.

[4] 许福友.桥梁抗风课程双语教学实践[J].教育教学论坛,2015(23):102-103.

[5] 柯世堂,吴瑾.土木工程专业研究生课《结构风工程》教学方法探索[J].教育教学论坛,2014(4):48-49.

[6] 张曰理,吕平,欧阳红群,等.加强开放实验与本科生科研训练,促进学生创新能力培养[J].实验技术与管理,2011,28(6):246-248.

[7] 何丽明,蒋群,闫晓梅,等.实验教学对提高本科生科研素质的探索[J].实验室研究与探索,2016,35(8):197-199.

[8] 宋永臣,杨明军,刘卫国,等.本科生专业实验教学研究探讨[J].实验室研究与探索,2014,33(2):161-165.

[9] 中交公路规划设计院.JTG/T D60-01—2004 公路桥梁抗风设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[10] 王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[11] 江帆,黄鹏.Fluent高级应用与实例分析[M].北京:清华大学出版社,2008.

[12] 李永乐,胡朋,蔡宪棠,等.紧邻高陡山体桥址区风特性数值模拟研究[J].空气动力学学报,2011,29(6):770-776.

Application of Fluent in experimental teaching for wind resistant of engineering structures

Hu Peng, Han Yan

(School of Civil Engineering and Architecture,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410114,China)

This paper employed the computational fluid dynamics software Fluent to better carry out the undergraduate experimental teaching for wind resistant of engineering structures. Through analyzing the wind fields over a real long-span bridge site,the features of Fluent and the investigation of base engineering data for wind resistant of bridges are introduced first. Then the process of terrain modeling and numerical calculation based on the Fluent are presented. At last,the numerical results of wind fields over the bridge site are analyzed,and they are explicated by using the visualization function of the Fluent. From the experimental teaching,the undergraduates’ practical ability are improved in the process of modeling,and their innovative consciousness and ability aere also developed in the process of explicating the resulting data by using the visualization function of the Fluent.

wind resistant of engineering structures; experimental teaching; application of Fluent

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.035

2016-10-09 修改日期：2017-02-03

长沙理工大学教学改革研究项目(JG1555)

胡朋(1985—),男,湖北黄冈,博士,讲师,硕士生导师,主要从事结构风工程方面的教学与研究工作.

E-mail：hupengmail@126.com

U442

A

1002-4956(2017)4-0138-05