山地城市桥址复杂风场特性研究

发布时间：2017-09-02 10:28

  本文关键词：山地城市桥址复杂风场特性研究

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【摘要】：十三五规划把深入实施西部大开发战略放在优先位置,大跨度桥梁的建设是必不可少的。桥址风场特性研究历来是桥梁抗风问题研究中的热点,而对山地城市桥址复杂风场特性研究相对较少。一味的采用规范必将导致与实际结果出现偏差较大的情况,随着CFD技术的飞速发展、风洞实验的产生,给研究缺少气象资料的地区的学者带来了福音。本文对复杂山地城市重庆朝天门长江大桥的桥址进行了以下几方面的研究:(1)结合桥梁风工程历史,产述风对结构的作用,以重庆朝天门长江大桥桥址的风场特性为研究对象。综述国内外山地风场特性的研究现状特性及成果、理论、方法。简述了桥梁抗风措施及脉动风模拟的两种方法。(2)介绍了四大流体力学基本方程:连续方程、运动方程、纳维斯托克斯方程以及能量守恒方程,并描述了纳维斯托克斯方程四种解法的优缺点。此外还介绍了复杂边界层的形成机理及其特性,风洞实验原理的四个准则:几何相似、运动相似、动力相似、边界条件相似。(3)借助Google Earth高程提取工具获取复杂山地高程数据,经坐标转换导入Gambit中直接生成复杂山地地形表面。结合日本和中国抗风规范选取合适的UDF风剖面,对比湍流模型,选择非平衡壁面函数及RNS湍流模型来模拟近地面流体复杂运动特性。对重庆朝天门长江大桥周围山地地形进行模型风洞实验,测得主梁至拱顶每隔20m的风速,采用数值模拟与理论计算同风洞实验数据进行对比。得出了如下结论:借用Google Earth高程提取工具辅助Gambit建立复杂山地地形具有很高的可靠性;数值模拟复杂山地城市风场特性有较高的精度。(4)从顺风向风速时程曲线的分类引出脉动风,列出了常用脉动风谱表达式,从理论角度论述了谐波合成法和AR模拟法模拟脉动风速的过程。在此基础上选用达文波特风速谱对重庆朝天门长江大桥的主梁至拱顶每隔20m的脉动风速分别作谐波法和AR法合成。研究结果表明:AR法模拟的脉动风速谱相对较平稳且与目标功率谱更为接近。
【关键词】：复杂山地地形建模 脉动风模拟 CFD 风场特性 风洞实验
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U442
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 研究背景9-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 国外研究现状12-13
• 1.2.2 国内研究现状13-16
• 1.3 研究目的与意义16-17
• 1.4 本文研究的主要内容17-18
• 第二章 研究山地地形风场特性的理论基础和方法18-28
• 2.1 理论基础18-25
• 2.1.1 连续方程18
• 2.1.2 运动方程18-19
• 2.1.3 纳维—斯托克方程19-22
• 2.1.4 能量守恒方程22-23
• 2.1.5 边界层基本概念23-25
• 2.2 风洞实验原理25-27
• 2.3 本章小结27-28
• 第三章 复杂山地风场三维研究28-48
• 3.1 模型建立28-36
• 3.1.1 高程数据提取28-31
• 3.1.2 模型地表面建立31-32
• 3.1.3 网格划分32-34
• 3.1.4 边界类型选取34-36
• 3.2 UDF风剖面选取36-39
• 3.3 湍流模型选取39-43
• 3.3.1 零方程模型40
• 3.3.2 一方程模型40-41
• 3.3.3 标准的k-ε两方程模型41-42
• 3.3.4 雷诺应力模型42-43
• 3.4 风洞实验43-45
• 3.5 结果比较分析45-47
• 3.6 本章小节47-48
• 第四章 脉动风荷载模拟研究48-64
• 4.1 风荷载48-49
• 4.2 脉动风速谱49-51
• 4.2.1 达文波特风速谱49-50
• 4.2.2 埃米尔脉动风速谱50-51
• 4.2.3 日本盐谷、新井（Hino）脉动风速谱51
• 4.2.4 卡曼（Kaimal）脉动风速谱51
• 4.2.5 英国哈里斯（Harris）脉动风速谱51
• 4.3 谐波合成法模拟脉动风速时程51-58
• 4.3.1 谐波合成法52-54
• 4.3.2 谐波合成算例54-58
• 4.4 线性滤波法模拟脉动风速时程58-63
• 4.4.1 AR线性滤波法58-60
• 4.4.2 AR合成算例60-63
• 4.5 本章小节63-64
• 第五章 结论与展望64-66
• 5.1 结论64
• 5.2 展望64-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-71
• 附录71-77
• A. 谐波合成Matlab程序71-73
• B. AR法合成Matlab程序73-77
• 攻读学位期间所取得的研究成果77

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