高速铁路典型桥梁断面静力三分力系数研究

发布时间：2017-08-07 19:24

  本文关键词：高速铁路典型桥梁断面静力三分力系数研究

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【摘要】：随着我国轨道交通的迅速发展,高速铁路的覆盖范围越来越广,包括山区峡谷、沿海等风速较大的区域。桥梁作为高速铁路线路中重要的组成部分,其抗风性能越来越受到广大研究学者的重视。对高速铁路典型桥梁断面进行静力三分力系数研究是开展桥梁抗风设计工作的基础。通过风洞试验获取静力三分力系数具有周期长、成本高等缺点。近年来,计算流体力学(CFD)数值模拟技术为获取桥梁断面静力三分力系数提供了一种较为简便、快捷、准确、低成本的途径。本文首先回顾了CFD技术的发展,并介绍了相应的数值计算原理。采用FLUENT软件对高速铁路常用跨度桥梁的三种典型断面(箱梁、T梁、槽梁)的静力三分力系数进行综合研究。考虑了不同湍流模型、雷诺数效应对三分力的影响,并与风洞试验的结果进行对比,以验证模型的可靠性。针对三种桥梁断面的特点,进一步研究了断面尺寸对静力三分力的影响,运用压力云图,风速云图和表面压力分布图对其差异性进行分析,为桥梁的气动选型提供重要依据。最后,还考虑了在桥上通行列车时,对桥梁静力三分力的影响。研究了车辆在桥上的不同位置对桥梁、车辆的三分力系数的影响。研究表明：对高铁跨度32m简支箱梁静力三分力系数进行数值计算时采用SST κ-ω湍流模型较为合理；雷诺数对高铁箱梁静力三分力系数的影响较小；小攻角(-6°～6°)工况下,T形梁的阻力系数最小,箱形梁次之,槽形梁最大,而在升力系数与扭矩系数方面,槽形梁抗风性能最佳,T形梁次之,箱形梁最差。桥梁断面的尺寸变化对其静力三分力系数影响显著；桥上不同的行车工况下桥梁及车辆本身的静力三分力系数变化明显。
【关键词】：高速铁路 箱形梁 T形梁 槽形梁 CFD 静力三分力系数
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-19
• 1.1 研究背景与意义12-13
• 1.2 研究方法13-16
• 1.2.1 现场实测14
• 1.2.2 风洞模拟试验14-15
• 1.2.3 CFD数值模拟15-16
• 1.3 CFD数值模拟在桥梁工程中的应用16-17
• 1.4 本文主要研究内容17-19
• 2 CFD数值模拟基本理论19-36
• 2.1 流体力学理论19-22
• 2.1.1 流体的物理性质19-20
• 2.1.2 流体运动的两种描述方法20-21
• 2.1.3 流体运动的分类21-22
• 2.2 计算流体力学基本方程22-27
• 2.2.1 控制方程22-24
• 2.2.2 初始条件和边界条件24-26
• 2.2.3 湍流输送方程26-27
• 2.3 CFD数值解法27-32
• 2.3.1 离散化方法28-29
• 2.3.2 CFD网格划分29-32
• 2.3.3 流场数值计算方法32
• 2.4 FLUENT软件简介32-35
• 2.4.1 概述32-33
• 2.4.2 软件组成33
• 2.4.3 FLUENT求解步骤33-35
• 2.5 本章小结35-36
• 3 高铁桥梁节段模型静力三分力系数研究36-67
• 3.1 湍流模型比选36-47
• 3.1.1 三分力系数定义36-37
• 3.1.2 桥梁节段模型风洞试验37-41
• 3.1.3 湍流模型41
• 3.1.4 数值计算建模41-44
• 3.1.5 数值结果对比和讨论44-47
• 3.2 箱梁模型静力三分力系数与雷诺数的关系47-56
• 3.2.1 雷诺数定义47-48
• 3.2.2 数值建模48
• 3.2.3 数值结果与分析48-56
• 3.3 三种梁型的静力系数对比研究56-65
• 3.3.1 几何模型尺寸56-57
• 3.3.2 数值计算建模57-60
• 3.3.3 数值计算结果60-61
• 3.3.4 三分力系数分析61-63
• 3.3.5 流场特征图63-65
• 3.4 本章小结65-67
• 4 桥梁断面尺寸对静力三分力系数影响分析67-95
• 4.1 箱形梁高度变化对静力系数的影响67-76
• 4.1.1 几何模型截面尺寸67-68
• 4.1.2 数值计算建模68-69
• 4.1.3 数值结果与分析69-72
• 4.1.4 流程特征图72-76
• 4.2 槽形梁高度变化对静力系数的影响76-84
• 4.2.1 几何模型截面尺寸76-77
• 4.2.2 数值计算建模77-78
• 4.2.3 数值结果与分析78-82
• 4.2.4 流程特征图82-84
• 4.3 槽形梁翼板倾斜度变化对静力系数的影响84-94
• 4.3.1 几何模型截面尺寸84-86
• 4.3.2 数值计算建模86-87
• 4.3.3 数值结果与分析87-90
• 4.3.4 流程特征图90-94
• 4.4 本章小结94-95
• 5 车桥系统下桥梁气动特性研究95-108
• 5.1 车桥系统计算模型简化95
• 5.2 数值计算建模95-97
• 5.3 边界条件与湍流模型97
• 5.4 计算结果与分析97-106
• 5.4.1 列车存在对桥梁气动特性的影响97-100
• 5.4.2 列车位置对桥梁气动特性的影响100-103
• 5.4.3 列车位置对列车气动特性的影响103-106
• 5.5 本章小结106-108
• 6 结论与展望108-110
• 6.1 结论108
• 6.2 展望108-110
• 参考文献110-114
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果114-118
• 学位论文数据集118

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