风-浪-流耦合作用下跨海斜拉桥涡动力特性.pdf

第1 8卷 第1 0期2 0 2 3年1 0月中 国 科 技 论 文C H I N AS C I E N C E P A P E RV o l.1 8N o.1 0O c t.2 0 2 3风-浪-流耦合作用下跨海斜拉桥涡动力特性卞晨杰1,杜礼明2,王尕平1,于德壮3(1.大连交通大学土木工程学院,辽宁大连1 1 6 0 2 8;2.大连交通大学机车车辆工程学院,辽宁大连1 1 6 0 2 8;3.中车大连机车车辆有限公司,辽宁大连1 1 6 0 2 8)摘 要:为了提高跨海桥梁的安全性,基于两相流理论,建立了跨海桥梁-随机风-波浪-水流四者耦合的三维计算流体动力学模型,对跨海斜拉桥在单风和风-浪-流耦合作用下的涡动力特性、绕流特性和桥梁表面的气动响应进行了对比研究。结果表明:风-浪-流耦合作用造成的桥梁周围绕流和涡结构破碎现象相比单风更加复杂;自由液面以下,水体会对涡量产生抑制作用,导致桥梁在单风作用下的涡量大于风-浪-流耦合作用下;在自由液面附近,随机风对桥梁涡动力的影响增强,使涡量产生骤增;风-浪-流耦合作用下,风会助推波浪,导致下部桥塔所受冲击荷载大于上部桥塔;在一定距离范围内,波浪和水流会对桥上的气动力造成影响。关键词:跨海大桥;涡动力特性;数值模拟;风-浪-流耦合;绕流特性中图分类号:U 2 3 8 文献标志码:A文章编号:2 0 9 5 2 7 8 3(2 0 2 3)1 0 1 1 2 8 0 9开放科学(资源服务)标识码(O S I D):V o r t e xd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f s e a-c r o s s i n gb r i d g e s i n f l u e n c e db yw i n d-w a v e-u n d e r c u r r e n t c o u p l i n g e f f e c tB I A NC h e n j i e1,D UL i m i n g2,WA N GG a p i n g1,Y UD e z h u a n g3(1.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,D a l i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,D a l i a n,L i a o n i n g1 1 6 0 2 8,C h i n a;2.S c h o o l o fL o c o m o t i v ea n dR o l l i n gS t o c kE n g i n e e r i n g,D a l i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,D a l i a n,L i a o n i n g1 1 6 0 2 8,C h i n a;3.D a l i a nL o c o m o t i v e&R o l l i n gS t o c kC o.,L t d.,D a l i a n,L i a o n i n g1 1 6 0 2 8,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt oi m p r o v et h es a f e t yo fc r o s s-s e ab r i d g e s,at h r e e-d i m e n s i o n a l c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c sm o d e lo fs e a-c r o s s i n gb r i d g eu n d e r t h e c o u p l e de f f e c t o f r a n d o mw i n d-w a v e-u n d e r c u r r e n tw a s e s t a b l i s h e db a s e do n t h e t w o-p h a s e f l o wt h e o r y.T h ev o r t e xd y n a m i c,f l o wc h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e a e r o d y n a m i c r e s p o n s eo f t h eb r i d g eu n d e r t h ew i n d-o n l ya n dw i n d-w a v e-u n d e r-c u r r e n t c o u p l i n gw e r ec o m p a r a t i v e l ys t u d i e d.A sar e s u l t,t h ef l o wp h e n o m e n o na n dt h ev o r t e xs t r u c t u r eb r e a k i n ga r o u n dt h eb r i d g e c a u s e db yw i n d-w a v e-u n d e r c u r r e n t c o u p l i n g i sm o r e c o m p l i c a t e d t h a n t h a t o f t h ew i n d-o n l y.B e l o wt h e f r e e s u r f a c e,w a t e rb o d yw i l l i n h i b i t t h ev o r t i c i t yd e v e l o p m e n t.T h e r e f o r e,t h ev o r t i c i t yc a u s e do n l yb yt h ew i n di sg r e a t e r t h a nt h a tb yt h ew i n d-w a v e-u n d e r c u r r e n t c o u p l i n g.N e a r t h e f r e e s u r f a c e,t h e i n f l u e n c eo f r a n d o mw i n do nt h ev o r t e xd y n a m i co f t h eb r i d g eg r a d u a l l yi n c r e a s e s,l e a d i n g t ot h es u d d e n l yi n c r e a s e dv o r t i c i t y.U n d e rt h ew i n d-w a v e-u n d e r c u r r e n tc o u p l i n g,t h ew i n df i e l dw i l lh a v eab o o s t i n ge f f e c t o n t h ew a v e f i e l d,w h i c hc a u s e s a n i m p a c t l o a do f t h eb r i d g e t o w e r b e l o wt h ew a t e r-a i r i n t e r f a c e g r e a t e r t h a n t h a to f t h e u p p e r b r i d g e t o w e r.W i t h i n a c e r t a i nd i s t a n c e,t h ew a v e s a n du n d e r c u r r e n t sw i l l h a v e a c e r t a i n i n f l u e n c e o n t h e a e r o d y n a m i cf o r c eo f t h eu p p e rp a r t o f t h eb r i d g e.K e y w o r d s:c r o s s-s e ab r i d g e;v o r t e xd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;w i n d-w a v e-u n d e r c u r r e n t c o u p l i n g;f l o wc h a r-a c t e r i s t i c s收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 0基金项目:国家自然科学基金资助项目(1 1 8 7 2 1 3 6);辽宁省自然科学基金资助项目(2 0 1 6 0 2 1 1 2)第一作者:卞晨杰(1 9 9 6),男,硕士研究生,主要研究方向为桥梁流固耦合动力学通信作者:杜礼明,教授,主要研究方向为机车车辆流固耦合动力学,d l m d j t u.e d u.c n 跨海大桥处于恶劣的海洋环境中,需要抵御飓风、海浪和地震等随机性灾害。其中,随机风、波浪和水流三者的耦合作用是跨海桥梁所面临的最常见挑战,特别是当三者的耦合作用产生的漩涡脱落频率接近桥梁的自振频率时会造成涡激振动,这会对桥梁的安全性造成影响。例如,美国的老塔科马海峡大桥、日本的跨东京湾大桥和中国的虎门大桥等,均出现了涡激振动现象。因此,有必要对跨海大桥在随机风-浪-流耦合作用下的涡动力及绕流特性进行研究。作为一种经典的钝体绕流现象,圆柱绕流广泛存在于实际工程中。因此,学者们1-3针对无限长和有限长圆柱展开了一系列研究。一些学者4-5使用了振荡流来研究圆柱绕流,还有一些学者6-8考虑了自由液面对圆柱绕流的影响。陈松涛等9对带自由液面的有限长圆柱的绕流进行了研究,发现自由液面和自由端的存在增大了局部位置的升力、阻力,推迟了圆柱表面的流动分离,并在一定程度上抑制了卡门涡街的发展。杨万理等1 0研究了桥墩模型的三维绕流特性和水流力的变化规律,结果表明,自由液 第1 0期卞晨杰,等:风-浪-流耦合作用下跨海斜拉桥涡动力特性面会对漩涡产生抑制作用,而漩涡交替脱落会导致墩柱两侧自由液面交替起伏。为了接近海底基础设施的实际情况,一些学者1 1-1 3研究了多圆柱的绕流现象。为了理解涡激振动的机理,吕振等1 4开发了低雷诺数旋转水槽,研究了亚临界雷诺数下圆柱的涡激振动,同时在尾迹区观测到了频率与圆柱振动频率一致的卡门涡脱。在此基础上,Z h a o等1 5研究了大跨度桥梁的涡激振动现象。G e等1 6等研究了某大跨度悬索桥首次及二次涡激振动的触发机理,结果表明,水马改变了主梁的气动外形,引起了主梁的第一次涡激振动,而第二次振动是由结构阻尼减小引起的,通过在栏杆顶部安装抑流板并拆除主梁底部的检修导轨等措施解决了桥梁的涡激振动问题。P a t r o等1 7、H e等1 8研究了桥梁箱梁在风环境下的气动特性变化。由以上分析可知,学者们对圆柱绕流、桥梁受单风作用的涡激振动已经做了一系列研究,但鲜有文献考虑风场的随机性,跨海桥梁在风-浪-流耦合作用下的涡动力和绕流特性的研究也极少,而这些因素都会影响跨海大桥的安全性。本文基于边界造波法、流体体积函数(v o l u m eo f f l u i d,V O F)法和自由液面捕捉法构建数值波浪水槽,并在此基础上建立桥梁-风-浪-流耦合的三维计算流体动力学模型,对跨海桥梁在单风和风-浪-流耦合作用下的绕流特性、涡动力特性和气动响应进行对比研究,以期为跨海桥梁的设计与施工提供参考。1 数值模型与计算方法1.1 桥梁数值模型本文通过M i d a s建立了桥梁有限元模型,桥型为公铁两用斜拉桥,其结构视为刚体,并将其导入A n s y s中进一步简化,只考虑了主体结构,包括桥墩、承台、桥塔、上车道(上层公路车道)和下车道(下层铁路车道),以便于实现流体仿真。其中,考虑到斜拉索的尺寸相对于整桥流场的尺寸而言是极小的,对于桥梁表面涡量和气动力的影响也是极小的,因此为了提高计算流体动力学(c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s,C F D)求解效率,在建模过程中省略了斜拉索。简化后的模型如图1(a)所示,横截面位置如图1(b)所示。1.2 波浪水槽计算域与边界条件设置波浪水槽的几何模型及边界条件如图2所示。为了使计算域内的湍流流动充分发展,阻塞比理论认为实验模型在实验风道截面上的投影面积与风道截面积之比小于等于5%。因此横桥向计算域尺寸取值为3 2 0m2 0 0m,消波区尺寸取值为5 5m2 5m,其长度为波长的1.0 5 2倍,高度为静水深度2 5m,并在此基础上沿纵桥向拉伸6 5 0m,形成三维图1 桥梁简化模型和横截面位置F i g.1 S i m p l i f i e db r i d g em o d e l a n dc r o s s-s e c t i o np o s i t i o n图2 数值波浪水槽计算布局F i g.2 C o m p u t a t i o n a l l a y o u t f o rn u m e r i c a lw a v e t a n k波浪水槽。该模型采用结构化网格划分,波面附近网格相对加密。网格尺寸为1m,网格数量约为6.4万。湍流模型选择S S Tk-两方程模型,并激活V O F双相流模型,离散格式选用S I M P L E算法并采用二阶迎风模式,模拟时长为1 0 0s,时间步长为0.0 1s,对二维数值波浪场进行求解1 9:LT=g L2 t a nh2 DL ,(1)T=c,(2)=2 T。(3)式中:L为波长;T为波周期;g=9.8N/k g;h为波高;D为静水深度;为系数;c为波速;为波浪圆频率。在上述波浪参数设定下,从初始时刻开始,波浪经过发展,可由入口传播到水槽末端的消波区内,形成周期性稳定的波浪场。9211中 国 科 技 论 文第1 8卷 2 数值波浪水槽与随机风模型2.1 数值波浪水槽采用边界造波法,波浪模型为短重力波。消波区通过在动量方程中添加1个阻尼源项实现消波。波浪要素参考中国某跨海大桥所在海域的设计参数2 0-2 1,其中波浪重现期为常遇,波高为3.9 9m,波周期为5.8s,波长为5 2m,波浪圆频率为1.0 8 3,波数为6。该桥梁所在海域为福州到平潭之间,横跨大小练岛,桥址位于海峡北口,具有风大、水深、浪高、流速大和冲刷严重等海洋特征。气候环境属于亚热带季风气候,夏季以偏南风为主,其余季节多为东北风,该地多年平均气温为1 9.5。在边界造波法中,速度入口处该重力波相关参数的计算公式见式(1)式(3)。在x=1 0、2 0、4 0、7 0、1 9 0、2 6 0m这6个位置设置虚拟波高仪,测试各个监测点处波高的时程曲线,如图3所示。当波浪尚未到达虚拟波高仪位置处时,液面基本处于静水面高度,监测点距离造波入口越远,则波浪传播所需的时间也就越长,而当到达消波区时,波浪产生消减。图3 波高时程曲线F i g.3 T i m eh i s t o r yc u r v e so fw a v eh e i g h t2.2 随机风模型本文的随机风模型基于修正的“中国帽”突变风2 2,并对其极值风速和持续时间进行了改进,得到符合所在海域2 1实际情况的风速函数模型。如图4所示,随机风由稳态风和阶跃型非稳态风组成,周期为3.5s,最高风速为3 3.5m/s,最低风速为1 4.9m/s。在图3的基础上,采用如图4所示的随机风模型并加入水流速度,构成随机风-浪-流耦合场。图4 随机风风速时程曲线F i g.4 T i m eh i s t o r yc u r v eo f r a n d o mw i n ds p e e d3 数值方法与网格无关性验证3.1 桥梁及流场的网格划分与数值计算方法考虑到桥梁结构的复杂性,采用混合网格剖分计算域,桥梁的壁面边界条件设置为w a l l。流场和桥梁网格划分如图5所示。跨海大桥在随机风-浪-流耦合作用下三维计算流体动力学模型的数值方法与波浪水槽相同,计算时长为1 2 0s。从空气速度入口处导入随机风,从水速度入口处导入水流流速,流速采用中国某跨海大桥所在海域1 0年一遇的流速2 2,即2.0 3m/s。海面距下桥面底部4.2 8m,距上桥面底部5.6 3m。风速、流速、波浪方向均为横桥向,构成了桥梁-风-浪-流耦合场。3.2 网格无关性验证取3组网格方案进行无关性验证。其中:M e s h-A网格尺寸为3.2m,总网格数量约为7 0 0万;M e s h-B网格尺寸为3.5m,总网格数量约为5 5 0万;M e s h-C网格尺寸为4.0m,总网格数量约为4 0 0万。沿桥梁迎波面布置8个监测点,分别在桥墩、承台和桥塔的位置,如图6所示,实时监测桥梁结构的涡动力特性。图5 计算域及网格划分F i g.5 C a l c u l a t i o nd o m a i na n dc o m p u t a t i o nm e s h i n g0311 第1 0期卞晨杰,等:风-浪-流耦合作用下跨海斜拉桥涡动力特性图6 桥梁监测点的位置分布F i g.6 D i s t r i b u t i o no fm o n i t o r i n gp o i n t so n t h eb r i d g e 取风-浪-流耦合作用下第一道波浪经过桥墩时各监测点的速度进行网格无关性验证。取桥墩、承台、桥塔-4这3个监测点的速度时程曲线进行分析,结果如图7所示。可见,在风-浪-流耦合作用下,桥梁各监测点的速度时程曲线相差较小,3组网格的最大误差均在1 0%以内,且M e s h-C网格最节约资源。因此,本文采用M e s h-C网格做后续研究。4 计算结果与分析4.1 桥梁的绕流特征分析图8展示了单风和风-浪-流耦合作用下桥梁周图7 网格无关性验证F i g.7 G r i d i n d e p e n d e n c ev e r i f i c a t i o n图8 单风和风-浪-流耦合作用下桥墩、承台、车道和塔顶周围的涡量分布F i g.8 V o r t i c i t yd i s t r i b u t i o na r o u n d t h eb r i d g ep i e r,b e a r i n gp l a t f o r m,l a n e a n d t o w e rt o p i n f l u e n c e db yw i n d-o n l ya n dw i n d-w a v e-u n d e r c u r r e n t c o u p l i n g1311中 国 科 技 论 文第1 8卷 围漩涡的脱落过程和分布特性。桥梁横截面位置如图1(b)所示,分别位于桥墩、承台、车道和塔顶位置。对比图8(a)与图8(b)可知,在风-浪-流耦合作用下,桥梁周围的漩涡脱落更加明显。风-浪-流耦合作用下,桥墩尾部两侧和距离桥墩左侧较远处产生了大尺度的漩涡脱落,并在尾迹中逐渐耗散;而单风作用下,桥墩周围的漩涡脱落并不明显。在单风作用下,承台周围的漩涡脱落逐渐显著,2个承台尾部均存在涡旋脱落的趋势。风-浪-流耦合作用下,承台周围漩涡的发展类似于双方柱绕流,由于受到后柱的影响,流体在前柱尾部几乎未发生漩涡脱落,而是在后柱尾部出现漩涡脱落。在风-浪-流耦合作用下,车道和塔顶尾流区的涡量分布更加细长,漩涡脱落也更明显。在桥塔周围,边界层分离延后并且边界层再附现象明显,导致尾流区的涡量分布变窄、变长。而单风作用下,尾流区只存在小尺度的漩涡脱落。图9为单风和风-浪-流耦合作用下桥墩、承台、车道和塔顶周围的速度和流线分布。对比图9(a)与图9(b)可见,由于桥墩和承台处于自由液面以下的位置,因此单风作用下的流速明显大于风-浪-流耦合作用下的流速,且单风作用下的流线分布相比风-浪-流耦合作用下更加光滑。在单风作用下,桥墩中部两侧和桥墩尾部的区域形成低速区,流速接近-6m/s。同时,在这2个区域,有2个对称的小尺度涡旋生成。而在桥墩两侧,气流未受到阻碍而快速流过,这符合钝体绕流现象。在风-浪-流耦合作用下,桥墩中部和尾部也形成了涡旋。同时,在距离桥墩左侧较远处产生了低速区并伴随涡旋。单风作用下,在承台双柱中间的位置形成2个几乎对称的涡旋,在后柱尾部也形成2个对称的涡旋,这是由于流体流经承台壁面并滞留于承台背风侧、形成低速区所造成的。风-浪-流耦合作用下,在承台双柱中间的位置形成回流,而在后柱尾部形成2个涡旋,在承台左侧也有涡旋产生,与桥墩左侧漩涡脱落的位置相同。由以上分析可知,在水面以下,风-浪-流耦合作用下桥梁周围的绕流现象明显比单风作用下更为复杂。由于波浪、水流和随机风三者的耦合作用,在桥下也有可能发生涡激振动现象。因此,在桥墩和承台的气动外形设计中,必须考虑大尺度漩涡脱落的现象,并进行相应的优化。图9 单风和风-浪-流耦合作用下桥墩、承台、车道和塔顶周围的速度和流线分布F i g.9 V e l o c i t ya n ds t r e a m l i n ed i s t r i b u t i o na r o u n d t h eb r i d g ep i e r,b e a r i n gp l a t f o r m,l a n e a n d t o w e rt o p i n f l u e n c e db yw i n d-o n l ya n dw i n d-w a v e-u n d e r c u r r e n t c o u p l i n g 在单风作用下,前后两桥塔的背风侧均会形成涡旋,特别是在前桥塔的背风侧有2个对称的涡旋产生。风-浪-流耦合作用下,前后两桥塔的背风侧和车道的尾流区也会形成涡旋,这是由于气流不断冲击桥梁壁面,导致边界层分离,而流体边界层脱离固体壁面后的位置会出现速度降低并耗散的现象,并形成涡旋结构。因此,高速列车在跨海大桥上行驶时,当经过桥塔遮蔽的位置时,其安全性必须引起重视。塔顶在单风和风-浪-流耦合作用下的流速差别不大。在单风和风-浪-流耦合作用下,塔顶的尾部和侧壁附近均存在低速区,并产生涡旋。因此,可以判断在塔顶位置,流场受到波浪和水流的影响较小。2311 第1 0期卞晨杰,等:风-浪-流耦合作用下跨海斜拉桥涡动力特性由以上分析可见,在桥上(桥塔、车道、塔顶),风-浪-流耦合作用相比单风作用,绕流现象更复杂,漩涡脱落更明显,涡量分布范围更广。因此,在风-浪-流耦合作用下,桥上更容易出现涡激振动现象。图1 0为桥梁结构在单风和风-浪-流耦合作用下6个时刻的Q-准则涡结构。可以观察到,随着时间的增加,桥梁周围的涡结构也在不断扩大,且扩散方向与风速方向相同。图1 0 单风和风-浪-流耦合作用下的Q-准则涡结构F i g.1 0 V o r t e xs t r u c t u r ed i a g r a mo fQ-c r i t e r i o n i s o-s u r f a c e i n f l u e n c e db yw i n d-o n l ya n dw i n d-w a v e-u n d e r c u r r e n t c o u p l i n g 对比图1 0(a)和图1 0(b),两者产生的涡结构有明显差异,特别是在桥塔背风侧气液交界面的位置,风-浪-流耦合作用下涡结构存在空谷,而单风作用下较为完整,这是由于波浪在冲击迎波面后会产生破碎,而此时上部风速相比下部流速更快,使其无法填补波浪破碎产生的空谷,造成两者的差异。同时,在桥塔背风侧,风-浪-流耦合作用相比单风作用,其涡结构破碎更加剧烈,漩涡脱落现象更加明显。4.2 桥梁在单风和风-浪-流耦合作用下的涡量分布特征气液两相分布下的桥下监测点布置如图1 1所示。其中,桥墩、承台、桥塔-1、桥塔-2的水位处于静水面以下,桥塔-3的水位在静水面附近,桥塔-4、桥塔-5、桥塔-7的水位在静水面以上。图1 1 气液两相分布下桥下监测点的布置情况F i g.1 1 L a y o u t o fm o n i t o r i n gp o i n t su n d e rg a s-l i q u i d t w o-p h a s ed i s t r i b u t i o n图1 2为单风和风-浪-流耦合作用下桥梁迎波面上各监测点的涡量变化。可见:单风作用下,各监测点的涡量变化幅度在0.2 52.5 0s-1之间。风-浪-流耦合作用下,静水面以下监测点(桥墩、承台、桥塔-1、桥塔-2)的涡量差别不大,变化幅度在0 0.6 5s-1之间;在静水面附近,从桥塔-3向桥塔-4过渡的区域,涡量骤增。监测点的位置越接近气液交界面,涡量也就越大,即涡量会随着淹没深度的变浅而增加,t=1 0 9s时,最大骤增量达到2 5.2 2 15s-1。这是由于监测点所处的水位接近自由液面,因此同时受到了随机风、波浪和水流的影响,并且风会对波浪起到助推的作用,提高波浪波峰的冲刷高度,增大桥梁表面的涡量大小。从桥塔-4向桥塔-5过渡的区域,涡量骤减,这是由于该位置几乎不再受到波浪的冲刷而随机风的影响也减弱,因此在桥塔-7的位置,涡量进一步减小。同时,对比图1 2(a)和图1 2(b),在桥墩、承台、桥塔-1、桥塔-2监测点的位置,单风作用下的涡量明显大于风-浪-流耦合作用下的涡量,这说明自由液面以下水体会抑制涡量的发展9作用。在桥塔-3、桥塔-4监测点的位置,风-浪-流耦合作用下的涡量明显大于单风作用下的涡量。在桥塔-5、桥塔-7监测点的位置,单风和风-浪-流耦合作用下的涡量变化幅度均很小,约为0.2 1.2s-1。4.3 桥梁在单风和风-浪-流耦合作用下的气动响应图1 3为单风和风-浪-流耦合作用下的桥梁阻力变化。由于随机风模型(图4)是以3.5s为1个周期,因此本文取2个周期内的气动力数据做进一步分析,故图1 3(a)中的分析时长为7s。单风作用下,桥梁的阻力呈相同的周期性变化,变化趋势与随机风模型相同。在桥下,桥墩的阻力大于承台阻力;在桥上,上车道阻力大于下车道,而桥塔的阻力又大于上车道。风-浪-流耦合作用下,桥梁下部结构在周期性波浪的冲刷下,阻力变化呈周期性上下浮动,该波动周期与每道波浪经过桥梁时的周期相同。在桥墩和承台位置处,桥墩所受阻力略大于承台,这是由于桥墩所处水位更深,所受压力更大。在桥塔位置处(自由液面将桥塔分为上、下3311中 国 科 技 论 文第1 8卷 图1 2 单风和风-浪-流耦合作用下桥梁迎波面涡量变化F i g.1 2 V o r t i c i t yc h a n g e so n t h ew a v e-f a c i n gs u r f a c eo f t h eb r i d g e i n f l u e n c e db yw i n d-o n l ya n dw i n d-w a v e-u n d e r c u r r e n t c o u p l i n g图1 3 单风和风-浪-流耦合作用下的桥梁阻力变化F i g.1 3 D r a g f o r c e c h a n g e so f t h eb r i d g e i n f l u e n c e db yw i n d-o n l ya n dw i n d-w a v e-u n d e r c u r r e n t c o u p l i n g2个部分),下部桥塔所受阻力明显大于上部桥塔,这是由于下部桥塔受到了随机风、波浪和水流三者的耦合作用,而风还会对波浪起到助推的作用,增强了波浪对于下部桥塔的冲击力;而上部桥塔主要受随机风影响,波浪对其冲击效果减弱。在车道位置,不再受到周期性波浪冲刷,因此阻力的变化幅度减弱。同时,下车道所受阻力大于上车道,t=1 0s时,两者最大阻力差达2 0 4.3 8k N,与单风作用下相反,这是由于波浪和水流会对桥上的气动力造成影响,而车道在影响范围之内。对比图1 3(a)与图1 3(b),桥梁下部结构在风-浪-流耦合作用下的阻力远大于单风作用下,而桥梁上部结构在2种情况下的阻力差别相对较小,但在下车道,显然还是风-浪-流耦合作用下的阻力更大。因此,跨4311 第1 0期卞晨杰,等:风-浪-流耦合作用下跨海斜拉桥涡动力特性海大桥在风-浪-流耦合作用下的抗风性能设计更加值得关注。图1 4为单风和风-浪-流耦合作用下的桥梁升力变化情况。单风作用下,上车道、下车道和桥塔的升力变化趋势大致相同。其中,上车道所受升力远大于下车道,而下车道升力大于桥塔。因此,在上车道更加需要安装防风设施。风-浪-流耦合作用下,在桥塔位置处,上部桥塔所受升力明显大于下部桥塔,t=7 1s时,两者最大升力差达20 9 5k N,这是由于上部桥塔受到随机风的影响更大,而下部桥塔在自由液面以下的位置,其升力受到了水体的抑制。在车道位置处,上车道的升力明显大于下车道,t=4 2s时,两者最大升力差达17 9 6.5 3k N。图1 4 单风和风-浪-流耦合作用下的桥梁升力变化F i g.1 4 L i f t f o r c e c h a n g e so f t h eb r i d g e i n f l u e n c e db yw i n d-o n l ya n dw i n d-w a v e-u n d e r c u r r e n t c o u p l i n g 对比图1 4(a)和图1 4(b),上车道在单风作用下的升力大于风-浪-流耦合作用下,下车道的升力差别不大,而桥塔在风-浪-流耦合作用下的升力大于单风作用下。5 结 论本文采用计算流体动力学的数值方法研究了某跨海大桥在单风和风-浪-流耦合作用下的涡动力和绕流特性。研究结果表明:1)相较于单风作用,风-浪-流耦合作用下,在桥塔、车道、塔顶位置绕流现象更加复杂,涡脱落更明显,涡量分布范围更广。同时,在桥塔背风侧和气液交界面的位置,风-浪-流耦合相比单风作用下的涡结构破碎更加剧烈。因此,在风-浪-流耦合作用下,桥上更容易出现涡激振动现象。2)在桥墩、承台、桥塔-1、桥塔-2位置,单风作用下的涡量大于风-浪-流耦合作用下,这是由于自由液面以下的水体会抑制涡量的发展。在桥塔-3、桥塔-4位置,风-浪-流耦合作用下的涡量大于单风作用下。风-浪-流耦合作用下,从桥塔-3到桥塔-4,涡量骤增,最大骤增量达2 5.2 2 15s-1。这是由于监测点距离气液交界面越近,受到波浪冲击的影响就越明显,涡量也就越大。桥塔-4到桥塔-5,涡量骤减,这是由于监测点的位置越高,受波浪冲击的影响就越小。在桥塔-7,涡量进一步减小。因此,在跨海大桥的设计过程中,有必要对其气液交界面附近的气动外形和材料性能进行优化,以抵抗复杂的风-浪-流耦合作用。3)风-浪-流耦合作用下,下部桥塔(自由液面将桥塔分为上、下2个部分)所受阻力大于上部桥塔,这是由于下部桥塔受到了随机风、波浪和水流三者共同作用,风还会对波浪起到助推的效果,增强波浪对下部桥塔的冲击力。风-浪-流耦合作用下,下车道所受阻力大于上车道,两者最大阻力差达2 0 4.3 8k N。4)在一定距离范围内,下部波浪和水流会对桥上的气动力造成影响。上车道在单风作用下的升力大于风-浪-流耦合作用下,桥塔在风-浪-流耦合作用下的升力大于单风作用下。在风-浪-流耦合作用下,上部桥塔所受升力明显大于下部桥塔,两者最大升力差达20 9 5k N。上车道的升力大于下车道,两者最大升力差达17 9 6.5 3k N。因此,跨海大桥的气动安全性相比内陆桥梁更加值得关注。(由于印刷关系,查阅本文电子版请登录:h t t p:w w w.p a p e r.e d u.c n/j o u r n a l/z g k j l w.s h t m l)参考文献(R e f e r e n c e s)1 B E N I T ZM A,C A R L S O ND W,S E Y E D-A G HA Z A-D E HB,e t a l.C F Ds i m u l a t i o n s a n d e x p e r i m e n t a lm e a s-u r e m e n t s o f f l o wp a s t f r e e-s u r f a c e p i e r c i n g,f i n i t e l e n g t hc y l i n d e r sw i t hv a r y i n ga s p e c t r a t i o sJ.C o m p u t e r s&F l u i d s,2 0 1 6,1 3 6:2 4 7-2 5 9.2 S A I D IN,C E R D O U N M,KHA L F A L L AHS,e ta l.N u m e r i c a l i n v e s t i g a t i o no f t h es u r f a c er o u g h n e s se f f e c t so nt h es u b s o n i c f l o wa r o u n dac i r c u l a rc o n e-c y l i n d e rJ.A e r o s p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 0,1 0 7:1 0 6 2 7 1.3 G HO B A D I A NR,B A S I R IM,S E Y D IT A B A RZ.I n-t e r a c t i o nb e t w e e nc h a n n e l j u n c t i o na n db r i d g ep i e ro nf l o wc h a r a c t e r i s t i c sJ.A l e x a n d r i aE n g i n e e r i n gJ o u r-n a l,2 0 1 8,5 7(4):2 7 8 7-2 7 9 5.4 C A OSY,L IM.N u m e r i c a l s t u d yo f f l o wo v e r a c i r c u-l a r c y l i n d e r i no s c i l l a t o r y f l o w sw i t h z e r o-m e a n a n dn o n-z e r o-m e a nv e l o c i t i e sJ.J o u r n a lo fW i n dE n g i n e e r i n ga n d I n d u s t r i a lA e r o d y n a m i c s,2 0 1 5,1 4 4:4 2-5 2.5311中 国 科 技 论 文第1 8卷 5 MU D D A D AS,HA R I HA R A NK,S A N A P A L AVS,e t a l.C i r c u l a rc y l i n d e rw a k e sa n dt h e i rc o n t r o lu n d e r t h ei n f l u e n c e o f o s c i l l a t o r y f l o w s:a n u m e r i c a l s t u d yJ.J o u r-n a l o fO c e a nE n g i n e e r i n g a n dS c i e n c e,2 0 2 1,6(4):3 8 9-3 9 9.6 赵峰,包艳,韩兆龙,等.近自由液面的圆柱水动力学特性数值