全风向角下二维切角方形桥塔气动措施数值模拟

张亮亮 吴蕊恒 倪志军 吴波

摘 要：采用SST K-ω湍流模型，对二维切角方形桥塔气动措施进行了全风向角下的CFD数值模拟研究，雷诺数为5×104。分析了添加气动措施对桥塔气动力系数、横风向气动力频谱、斯托罗哈数的影响，并与试验结果进行了对比，二者吻合较好。研究结果表明，风向角α≤25°，升力系数呈下降趋势，添加翼板会显著增大桥塔升力系数;α>25°，升力系数呈上升趋势，添加气动措施对桥塔升力系数没有影响。添加气动措施后桥塔阻力系数会增大，最小阻力系数出现在5°～10°风向角范围内。不同风向角下的模型涡脱方式不同，包含的涡脱频率也不同，漩涡脱落不一定是单纯的正弦现象。添加气动措施会减小模型St数，最大St数出现在5°～15°风向角之间。

关键词：切角方形桥塔;湍流模型;气动措施;气动特性

中图分类号：U443.38

文献标志码：A  文章编号：2096-6717（2019）02-0116-06

Abstract：Based on SST K-ω turbulent model， aerodynamic measures of 2D-corner-cutoff square cylinder were simulated under all yaw wind angles， at Re=5×104.The aerodynamic coefficient ， lift frequency spectrum， strouhal number were studied after adding aerodynamic measures，which showed good agreement with other experiment test. The research results show that when wind yaw angle α≤25°，the lift coefficients show a decreasing trend and increase greatly after adding fins;α>25°，The lift coefficients are on the rise and aerodynamic measures cant influence it. Drag coefficient increase after adding aerodynamic measures and the minimum of drag coefficient is at α=5～10°. Different vortex shedding pattern include different vortex-shedding frequency when the wind yaw angle is changing and vortex shedding isnt always simple harmonic wave. St number will diminish after adding aerodynamic measures and the maximum  St number is at α=5°～15°.

Keywords：2D-corner-cutoff square cylinder; turbulent model; aerodynamic measures; aerodynamic behavior

随着社会经济的飞速发展，桥梁跨度越来越大，因而桥塔高度也越来越高，在自然风作用下，桥塔越来越容易发生风致振动。尤其是钢结构桥塔，具有自重轻、阻尼小等特点，在较低风速下可能产生较大振幅，这会严重影响桥梁使用寿命和结构安全。因此，有必要对桥塔的气动措施进行研究。

方形截面是桥塔基本截面之一，以往很多学者＼[1-5＼]详细研究了方柱模型的气动力系数、风压分布规律、斯托罗哈数、尾流特性等。但在很多情况下，方形截面抗风性能不能满足实际抗风需求。为提高桥塔抗风性能，通常对方形截面做角部处理，Tamura等＼[6-7＼]通过风洞试验和CFD数值模拟方法研究了方柱切角和圆角处理气动特性的变化，结果表明，切角和圆角处理使模型尾流变窄，进而减小方柱的阻力系数。王新荣等＼[8＼]对不同圆角和切角处理的方柱进行了风洞试验，雷诺数Re=1×105～4.8×105，结果表明，切角率≤15%的方柱，气动特性基本不随雷诺数而改变。李永乐等＼[9＼]通过风洞试验方法，对桥塔进行了大缩尺比气弹模型试验，研究了不同挖角方式对桥塔涡振及驰振性能的影响，并确定了最优挖角方式。此外，还有学者＼[10-12＼]通过数值模拟或风洞试验详细研究了大跨桥梁桥塔的风振性能。

适当的角部处理虽然能改善桥塔抗风性能，但在某些情况下仍不能抑制桥塔风振，这时需要考虑添加其他气动措施。朱乐东等＼[13＼]采用多孔扰流板扰乱或削弱了桥塔两侧有规律的漩涡脱落，进而显著减小了杭州之江大桥钢桥塔的涡振。对于添加气动措施后的桥塔，周围流场更加复杂，对桥塔气动措施的研究，目前多采用风洞试验的方法。风洞试验造价高、周期长，而且很难显示桥塔周围流场特性。笔者采用CFD数值模拟方法研究了全风向角下切角方形桥塔切角部位增加垂直翼板（fins）和圓弧导流板（curved guided vane）对桥塔气动力系数、横风向气动力频谱、斯托罗哈数的影响，并与试验结果进行了对比。

1 控制方程及模型建立

1.1 控制方程

在直角坐标系下，对二维不可压黏性流体可用雷诺时均N-S方程描述。

式中：ul=ρCuk2/ε为湍流黏性系数;Cu为经验常数;k和ε分别为湍流动能和耗散率，需要通过求解湍流模型方程来确定。

采用SST k-ω湍流模型，该模型综合了标准k-ε模型和标准k-ω模型，且比标准k-ω模型有更高的精度和可信度＼[14＼]。