计算风工程在山区风环境的应用和研究

刘思为（广东省建筑设计研究院，广东广州510010）

计算风工程在山区风环境的应用和研究

刘思为（广东省建筑设计研究院，广东广州510010）

与沿海和平原地区风特性相比，山区峡谷有阵风强烈，湍流强度大等特点。本文基于FLUENT软件平台建立了刘家峡大桥桥址处区风场模型，对其周围复杂的风环境进行了数值模拟，计算出了刘家峡大桥各测点的风速及风向角，对刘家峡大桥桥址区的风特性进行较为系统的研究，初步确定了刘家峡大桥设计的相关风特性参数。

计算风工程；数值模拟；山区风环境

1 引言

1940年，美国华盛顿州建成才4个月的塔科马（Tacoma）大桥，在不到20m/s的风作用下发生强烈的风致振动而破坏。这一重大事故震惊工程界的同时，也开启了人类对风特性的探索之门。

20世纪60年代末，工程界对风荷载和风振的研究初见成果。模拟大气边界层气流的结构风洞的修建，在风工程研究史上有里程碑的意义，它的出现标志着风工程学科的正式诞生。风工程学的研究对象是大气边界层内的风与地表物体之间的相互作用，其研究内容包含了空气动力学、气象学、桥梁工程、建筑工程、结构动力学等多门学科理论，是一门多学科相互渗透和相互促进的交叉学科。

计算流体力学（Computational Fluid Dynamic，简称CFD）是流体力学的一个分支学科，计算风工程（Computational Wind Engineering，简称CWE）是其在实际工程中的应用和衍生。相比理论分析，计算风工程是一种数值模拟方法，得出的是流体的离散解，而非解析解。因此，必须与物理分析相结合，才能在求解流体运动时，合理的揭示流动的机理和特征。

风工程研究的流体一般为不可压缩的低速流体。因此，计算风工程的主要工作是利用数值方法求解满足定解条件，通过描述不可压缩流动现象的流体动力学方程组，或其他各种简化方程组来研究和解决风工程的问题。

数值模拟与传统物理模拟（以风洞试验为主）相比，具有周期短、费用低、便于模拟真实环境、描述流场细节和给出流场定量结果等优势。随着计算流体力学的发展和计算机能力的提升，计算风工程被广泛应用于建筑、桥梁、车辆和能源等工程领域中，展现出良好的工程前景。

2 计算原理

2.1 基本方程

流体力学理论是基于质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等三大定律发展而来。基本方程是三大定律的数学表达式，是计算风工程的理论基础。由于计算风工程中的研究对象不涉及温度场的问题，质量守恒方程和动量守恒方程就构成了基本的动力学方程组。

连续方程：

2.2 湍流模型

流体运动的基本形态分为层流和湍流，风工程研究对象一般都是湍流。湍流最主要的特征归结为随机性、扩散性、有涡性和耗散性。计算风工程中主要采用的湍流模式理论来模拟湍流。湍流模式理论是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，引入一系列的湍流模型假设，建立起一组描述湍流平均量的封闭方程组。

近年来CFD计算发展了多个计算模型，标准k-ε是其中理论与实践比较成熟的模型，其方程为：

湍流动能方程：

2.3 计算方法

求解不可压缩流体运动的基本方程，通常只能通过数值方法将微分方程组转换成代数方程。离散不可压缩流动基本方程的主要方法有有限差分法、有限单元法、有限体积法。有限体积法（finite volume method或简称FVM）又称为控制体积法。其核心算法是将计算区域划分为一定数量的体积单元，设定网格中心或网格点为控制点，每个控制点控制其周边网格范围内的体积单元；对一定数量的控制体进行积分，求解方程。

有限体积法只寻求结点值，这与有限差分法相类似；但有限体积法在寻求控制体积的积分时，必须假定值在网格点之间的分布，这又与有限单元法相类似。在有限体积法中，插值函数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之后，便可忘掉插值函数；如果需要的话，可以对微分方程中不同的项采取不同的插值函数。因此，有限体积法的格式类同于有限差分法，因其出色的守恒性又优于有限差分法。有限体积法可以采用各种形状的网格以适应各种复杂的边界形状，这点和有限元法类似，相比于有限元法，求解方便是有限体积法的优势。

本文选用标准模型，采用有限体积法，利用计算流体力学软件Fluent6.3对上述方程求解。

3 工程概况

刘家峡大桥位于甘肃省临夏回族自治州东乡族自治县考勒乡刘家峡水库库旁，跨越红池沟和本地沟汇合处，桥址处大塬为考勒塬、八十个塬、尕细塬、大塬。

刘家峡大桥跨径组合为16+536+16m，全长568m。设计成桥状态下，理论垂度为48.70m，垂跨比约为1：11，缆中心间距15.6m，跨中主缆距桥面4.0m。临夏折桥侧背索跨度为150m，兰州达川侧背索跨度为118m。大桥建成后成为西北地区单跨跨度最大的桥梁。

桥址周围为山区峡谷与水库交汇地带，地形极其复杂。由于地形变化造成的风的非平稳特性将对桥梁结构产生非常不利影响。

4 数值计算模拟

针对刘家峡大桥桥址区地形地貌特点，以大桥为中心，选取东西方向长度为9200m，南北方向长度为10000m，高度从0～2200m的长方体（扣除山体、河流所占空间）作为计算区域。计算区域的底边界根据1：10000等高线地形图导入计算机模拟生成。

在满足计算精度的前提下，计算模型采用空间梯田模型。网格数量为3755703个单元，7583879个节点。局部网格划分情况如图1所示。考察不同方向风作用对大桥结构的影响，取18个角度作为计算来流方向，如图2所示，图中圆圈内的数字代表计算工况。

图1 局部网格划分图

图2 风向示意图

风场计算中入口处来流风速：40m/s。风向角α、β按图2所示坐标系定义，其中：

顺桥向风速、横桥向风速、竖向风速分量分别用u、v、w表示，攻角α对主梁抗风性能有重要影响，正攻角代表上升气流，负攻角代表下降气流。

为了反映桥位处风速的变化规律，沿桥轴线位置重点考察了22个计算点，如图3所示。

图3 考察点布置图

5 计算结果分析

桥址地形数值计算模拟了从正北方向（0°）开始按逆时针方向以22.5°等间隔增加的16个不同方向以及2个横桥向来流风作用下考察点的风速分布情况，每个来流方向作为一个计算工况，如图2所示。平均风攻角α和风向角β是描述桥位风场的重要参数，评价各方向来流对桥梁抗风性能的影响，应综合考虑攻角α和风向角β的数值。

综合考虑桥址方位和来流风方向，当来流风方向在315～ 45°（工况一、二、十七、十八），135～225°（工况八～十一）之间时，抗风性能控制因数是平均风攻角α，当来流风方向为45～135°（工况四～六），225～315°（工况十三～十五）时，抗风性能控制因数是风向角β。当来流风方向为45°、135°、225°、315°（工况三、七、十二、十六）时，抗风性能控制因数是风攻角α和风向角β。

图4和图5给出了这两个重要参数沿桥轴线的变化特征。

图4 不同工况攻角α沿桥轴线的变化曲线

图5 不同工况风向角β沿桥轴线的变化曲线

6 工程总结

本文运用大型CFD软件FLUENT对刘家峡大桥桥址处复杂的风环境进行数值模拟，得出了桥址附近的风环境特性，对各方向来流对桥梁抗风性能的影响进行了评价，初步确定了刘家峡大桥设计的相关风特性参数。相比于传统的风洞试验，本文采用了周期短、成本低的计算流体力学方法对风工程进行了研究和探索，取得了不错的效果。

7 不足与展望

在对桥址附近风环境模拟中，因计算能力有限，只选取了10m等高线作为模拟的地形依据，模拟精度受到限制。此外，由于缺乏当地详细的风玫瑰图及相关气象资料，无法对桥址附近风环境给出更加准确地分析和预测。

本文对山区风环境的数值模拟理论是建立在平均N-S方程和湍流封闭模型的基础上的，无法模拟脉动风压。对脉动风压的模拟需要更精确的数值方法和湍流模型，同时对计算机硬件也提出更高的要求。

在以后的数值模拟研究工作中，针对以上存在的不足，在条件允许的情况下，应采用更为精确合理的湍流模型，如雷诺应力模型，或采用考虑脉动效应的数值模拟方法，如大涡模拟方法。同时利用计算能力更强大的计算机，对山区风环境进行细致模拟和精确预测。在风环境的模拟中，对所研究的结构周围的地形的一些特性资料要有一定的把握，这样才能更充分的考虑复杂地形对结构抗风性能的的影响。同时也应大量收集结构所在地的常年风速风向等气象资料，为准确的模拟结构周边风环境提供必要的数据。

［1］黄本才．结构抗风分析原理及应用（第二版）.上海：同济大学出版社，2008.

［2］项海帆．结构风工程研究的现状和展望．振动工程学报，1997，10（3）.［3］贺德馨．我国风工程研究现状与展望．力学与实践，2002，24.

［4］杨伟，顾明．高层建筑三维定常风场数值模拟．同济大学学报，2003．

个人荣誉及获奖情况：全国优秀工程勘察设计奖三等奖。

TU312.1

A

2095-2066（2016）30-0142-03

2016-10-11

刘思为（1987-），男，工程师、全国二级注册结构工程师，硕士研究生，主要从事建筑结构设计及风工程研究。