风-浪联合作用下高速列车-桥梁结构绕流特性研究
发布时间：2020-12-17 03:14
随着我国“一带一路”战略的推进,高速铁路逐渐由内陆延伸至海岸地区。复杂的海洋环境常常出现狂风、巨浪甚至海啸,对桥梁和列车运营安全产生巨大威胁。随着列车高速化和轻型化,单风或者单浪研究难以全面反映列车-桥梁结构所受的复杂海洋环境荷载,风-浪联合作用对跨海高速铁路桥梁及行车安全的影响越来越大,成为影响跨海高速铁路桥梁运营安全的控制性因素。本文通过数值模拟方法研究风-浪联合作用下高速列车-桥梁结构绕流特性,揭示不同流场环境状态对列车-桥梁系统绕流场特性影响规律,为进一步风-浪联合作用高速铁路桥梁行车安全性和控制方法的研究提供基础。本文主要研究内容如下:首先基于Fluent软件平台,采用边界造波法、VOF捕捉自由液面以及阻力消波技术建立二维和三维数值波浪水槽,完成稳定二阶Stokes波浪模拟,并通过对波浪时程、空间波形以及水质点速度等参量与理论波浪参数对比验证了模拟结果的正确性。在上述数值水槽基础上,对空气相设置的水平风速,实现了模拟稳定风-浪联合作用场,通过波浪参数以及风场参数验证了数值水槽中风-浪联合作用场可行性。随后通过开展了标准方柱、圆角方柱、双方柱以及经典近流线型箱梁桥数值模拟,并与...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
经典近流线型箱梁桥主梁断面绕流[57]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文9图1-5扁平箱形桥梁断面静气动力系数的雷诺数效应[61-62]任若松等[51]通过风洞试验测得模型表面风压分布，采用压力积分方式获得断面在不同雷诺数下的三分力系数。试验表明：桥梁断面局部细微差异并不能改变三分力系数随雷诺数的变化规律；从模型不同位置处的平均风压系数来看，前缘尖角的下游位置表现出较明显的雷诺数效应。李海飞等[52]通过刚性节段模型测压试验分析了雷诺数变化对结构表面脉动压力场的影响，流线型桥梁断面表面脉动风荷载的作用形式会随雷诺数变化，在特定位置流动分离和再附等现象会随雷诺数发生变化，从而影响整体的气动力和漩涡脱落规律。张丹等[53]研究不同攻风角流线型桥梁断面压力系数的雷诺数效应。1.4本文主要研究内容本文以某公铁两用跨海桥梁作为研究背景，以桥塔、桥面节段以及列车作为研究对象，采用Fluent软件平台构建二维和三维数值波浪水槽。通过风、浪等环境荷载进行数值模拟与验证，进一步研究波浪气动干扰、列车交会、挡风屏障、桥塔遮蔽效应等在特殊多流场环境下列车-桥梁系统绕流场特性，揭示不同流场环境状态对列车-桥梁系统绕流场特性影响规律，具体研究内容和章节划分如下：第二章，构建波浪数值水槽和风-浪联合作用场，并从波浪时程、空间波形、水质点速度等三个方面验证数值水槽正确性。具体步骤为：（1）编写Fluent软件二次开发程序，通过边界造波法造波，VOF技术捕捉自由液面以及阻尼消波法消波，构造数值波浪水槽模拟二维二阶Stokes波浪，在此基础上通过设置波浪上部空气特定的水平速度构建二维风-浪联合作用场；（2）对二维平面沿垂向进行延伸，建立三维波浪水槽以及风-浪联合作用场；（3）模拟计算过程中实时监测波浪的时程曲线，同时输出不同时刻下波浪?
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文142.3二维数值波浪水槽模拟和验证2.3.1数值波浪水槽设计本课题研究波浪参数为：波长L=14m，周期T=3s，波高H=0.8m，波速C=4.67m/s；设计数值水槽尺寸为：水槽长L1=60m，高H1=8m，静水水深D1=4m，消波段长度为L2=14m，防止水槽末端水位抬高，在垂直方向上选择静水液面上下一个波高的计算区域，考虑到消波范围减小，将经验系数α设置为10。此外，在水槽沿程设置虚拟波高仪，监测波浪时程曲线以便后续验证，如图2-1所示。图2-1数值水槽几何简图由于后续研究需要模拟风浪联合作用场，采用边界造波法通过用户自定义函数分别对入口边界空气相和水相给以特定的速度更容易实现稳定风浪联合作用场模拟。本文模拟水槽的边界条件设定为：AB边为速度入口（Velocity-inlet），AD边为壁面边界（Wall），CD边为压力出口（Pressure-outlet）。水槽上部BC边采用对称边界条件（symmetry），如图2-2所示。图2-2边界条件设定2.3.2网格和时间步长无关性验证模拟计算中网格划分和时间步长对计算结果影响非常大，因而需要通过模拟试验达到网格和时间步长无关性，计算结果才比较可靠。本节共设计3种网格划分方式和3个不同时间步长进行模拟试验，在权衡计算时间成本和计算精确两方面达到平衡以确定网格和时间步长,具体方案如表2-1所示。本文网格划分原则是在自由液面附近的区域进行局部加密,原因通过局部加密降低波高梯度变化过大导致的误差，同时有利于捕捉自由液面，使重构的波浪液面更加光顺。离自由液面较远处波高梯度变化小,采用过密的网格则会浪费
【参考文献】：
期刊论文
[1]串列双方柱绕流的时均压力分布特性研究[J]. 刘小兵,陈帅,赵会涛. 建筑结构. 2020(01)
[2]基于推板造波方法的数值波浪水槽性能研究[J]. 李杰. 四川建筑. 2019(01)
[3]圆角化对方柱气动性能影响的流场机理[J]. 杜晓庆,田新新,马文勇,李二东. 力学学报. 2018(05)
[4]高雷诺数下多柱绕流特性研究[J]. 李聪洲,张新曙,胡晓峰,李巍,尤云祥. 力学学报. 2018(02)
[5]桥面栏杆对主梁气动力和涡脱特性的影响研究[J]. 祝志文. 铁道科学与工程学报. 2016(10)
[6]角部处理的二维方柱风压分布特性的试验研究[J]. 王新荣,顾明. 土木工程学报. 2016(07)
[7]波浪水槽中Stokes五阶波的数值生成[J]. 李邦华,郑向远,李炜,荣维栋. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2016(02)
[8]流线型桥梁断面雷诺数效应[J]. 张丹,李加武,徐洪涛. 土木工程与管理学报. 2015(04)
[9]亚临界雷诺数下圆柱和方柱绕流数值模拟[J]. 沈立龙,刘明维,吴林键,李鹏飞,舒丹. 水道港口. 2014(03)
[10]静止方柱和圆柱绕流的二维数值分析[J]. 毕继红,余化军,任洪鹏. 三峡大学学报(自然科学版). 2012(01)
博士论文
[1]风浪流数值模拟与风-浪联合作用下桥塔动力响应研究[D]. 柏晓东.哈尔滨工业大学 2018
[2]横风作用下的高速列车气动特性及运行安全性研究[D]. 郗艳红.北京交通大学 2012
硕士论文
[1]圆柱和方柱绕流及矩形柱涡激振动的二维数值分析[D]. 余化军.天津大学 2012
本文编号：2921311
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
经典近流线型箱梁桥主梁断面绕流[57]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文9图1-5扁平箱形桥梁断面静气动力系数的雷诺数效应[61-62]任若松等[51]通过风洞试验测得模型表面风压分布，采用压力积分方式获得断面在不同雷诺数下的三分力系数。试验表明：桥梁断面局部细微差异并不能改变三分力系数随雷诺数的变化规律；从模型不同位置处的平均风压系数来看，前缘尖角的下游位置表现出较明显的雷诺数效应。李海飞等[52]通过刚性节段模型测压试验分析了雷诺数变化对结构表面脉动压力场的影响，流线型桥梁断面表面脉动风荷载的作用形式会随雷诺数变化，在特定位置流动分离和再附等现象会随雷诺数发生变化，从而影响整体的气动力和漩涡脱落规律。张丹等[53]研究不同攻风角流线型桥梁断面压力系数的雷诺数效应。1.4本文主要研究内容本文以某公铁两用跨海桥梁作为研究背景，以桥塔、桥面节段以及列车作为研究对象，采用Fluent软件平台构建二维和三维数值波浪水槽。通过风、浪等环境荷载进行数值模拟与验证，进一步研究波浪气动干扰、列车交会、挡风屏障、桥塔遮蔽效应等在特殊多流场环境下列车-桥梁系统绕流场特性，揭示不同流场环境状态对列车-桥梁系统绕流场特性影响规律，具体研究内容和章节划分如下：第二章，构建波浪数值水槽和风-浪联合作用场，并从波浪时程、空间波形、水质点速度等三个方面验证数值水槽正确性。具体步骤为：（1）编写Fluent软件二次开发程序，通过边界造波法造波，VOF技术捕捉自由液面以及阻尼消波法消波，构造数值波浪水槽模拟二维二阶Stokes波浪，在此基础上通过设置波浪上部空气特定的水平速度构建二维风-浪联合作用场；（2）对二维平面沿垂向进行延伸，建立三维波浪水槽以及风-浪联合作用场；（3）模拟计算过程中实时监测波浪的时程曲线，同时输出不同时刻下波浪?
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文142.3二维数值波浪水槽模拟和验证2.3.1数值波浪水槽设计本课题研究波浪参数为：波长L=14m，周期T=3s，波高H=0.8m，波速C=4.67m/s；设计数值水槽尺寸为：水槽长L1=60m，高H1=8m，静水水深D1=4m，消波段长度为L2=14m，防止水槽末端水位抬高，在垂直方向上选择静水液面上下一个波高的计算区域，考虑到消波范围减小，将经验系数α设置为10。此外，在水槽沿程设置虚拟波高仪，监测波浪时程曲线以便后续验证，如图2-1所示。图2-1数值水槽几何简图由于后续研究需要模拟风浪联合作用场，采用边界造波法通过用户自定义函数分别对入口边界空气相和水相给以特定的速度更容易实现稳定风浪联合作用场模拟。本文模拟水槽的边界条件设定为：AB边为速度入口（Velocity-inlet），AD边为壁面边界（Wall），CD边为压力出口（Pressure-outlet）。水槽上部BC边采用对称边界条件（symmetry），如图2-2所示。图2-2边界条件设定2.3.2网格和时间步长无关性验证模拟计算中网格划分和时间步长对计算结果影响非常大，因而需要通过模拟试验达到网格和时间步长无关性，计算结果才比较可靠。本节共设计3种网格划分方式和3个不同时间步长进行模拟试验，在权衡计算时间成本和计算精确两方面达到平衡以确定网格和时间步长,具体方案如表2-1所示。本文网格划分原则是在自由液面附近的区域进行局部加密,原因通过局部加密降低波高梯度变化过大导致的误差，同时有利于捕捉自由液面，使重构的波浪液面更加光顺。离自由液面较远处波高梯度变化小,采用过密的网格则会浪费
【参考文献】：
期刊论文
[1]串列双方柱绕流的时均压力分布特性研究[J]. 刘小兵,陈帅,赵会涛. 建筑结构. 2020(01)
[2]基于推板造波方法的数值波浪水槽性能研究[J]. 李杰. 四川建筑. 2019(01)
[3]圆角化对方柱气动性能影响的流场机理[J]. 杜晓庆,田新新,马文勇,李二东. 力学学报. 2018(05)
[4]高雷诺数下多柱绕流特性研究[J]. 李聪洲,张新曙,胡晓峰,李巍,尤云祥. 力学学报. 2018(02)
[5]桥面栏杆对主梁气动力和涡脱特性的影响研究[J]. 祝志文. 铁道科学与工程学报. 2016(10)
[6]角部处理的二维方柱风压分布特性的试验研究[J]. 王新荣,顾明. 土木工程学报. 2016(07)
[7]波浪水槽中Stokes五阶波的数值生成[J]. 李邦华,郑向远,李炜,荣维栋. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2016(02)
[8]流线型桥梁断面雷诺数效应[J]. 张丹,李加武,徐洪涛. 土木工程与管理学报. 2015(04)
[9]亚临界雷诺数下圆柱和方柱绕流数值模拟[J]. 沈立龙,刘明维,吴林键,李鹏飞,舒丹. 水道港口. 2014(03)
[10]静止方柱和圆柱绕流的二维数值分析[J]. 毕继红,余化军,任洪鹏. 三峡大学学报(自然科学版). 2012(01)
博士论文
[1]风浪流数值模拟与风-浪联合作用下桥塔动力响应研究[D]. 柏晓东.哈尔滨工业大学 2018
[2]横风作用下的高速列车气动特性及运行安全性研究[D]. 郗艳红.北京交通大学 2012
硕士论文
[1]圆柱和方柱绕流及矩形柱涡激振动的二维数值分析[D]. 余化军.天津大学 2012
本文编号：2921311
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