CFD 技术在桥梁水动力学课程教学中的应用

魏 凯，张必科，胡楷宇，张明金

（西南交通大学 土木工程学院，成都 610031）

随着国家经济发展，近年来，我国建设了大量跨越江、海桥梁工程。东海大桥、港珠澳大桥、杭州湾跨海大桥、沪苏通长江大桥相继建成通车。与传统陆地桥梁相比，上述桥梁长期承受水的动力作用，桥梁水动力学成为影响结构设计的关键。

桥梁水动力学是水力学的一个重要分支，主要研究水流作用以及波浪作用对桥梁的影响机理。随着专家学者对桥梁工程研究过程的深化，桥梁水动力学已成为行业研究的热点课题[1]。兰雅梅等[2]对桥梁桩柱承台水动力模型的研究；张家瑞等[3]研究并提出了深水桥墩波浪动力响应概率模型；魏凯等[4]通过试验研究了跨海桥梁高桩承台波浪冲击荷载；王坤[5]研究了海洋深水环境下桥墩基础冲刷特性；杨熠琳[6]则研究了桥梁群桩基础的局部冲刷机理。因此，未来的桥梁工程科研和设计人员应该具备相应的桥梁水动力学知识，以适应行业未来的发展。

然而，桥梁水动力学的综合性较强，主要涉及流体力学、结构动力学、桥梁工程等相关课程。值得注意的是，流体力学的理论部分涉及不少偏微分方程组，比如连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程等。随着考虑因素的增加，上述非线性偏微分方程组计算得出相应解析解较为困难[7]。在教学方面，该课程具有抽象化特征，需要学生具备较高的数学基础。为提高学生对该课程的兴趣，教师们也在教学实践中不断积累经验，丰富教学方法，将具体的水流和波浪实验引入课堂。由于具体实验所需的试验设备较为复杂、试验周期较长等原因，不能让学生在短时间内深刻理解该学科知识。近年来，随着计算机技术的不断发展，计算流体力学（CFD）技术不断完善，国内各大高校相继将CFD 技术引入课程教学环节。比如，杨戈尔等[8]将CFD 仿真技术引入到生物力学课程教学中；王东屏等[9]实现了计算流体力学与流体力学教学的结合；杨帆等[10]探究了CFD 技术在水泵及水泵站教学中的应用；许万军等[11]进行了在汽轮机原理课程教学中引入CFD 技术的教学案例分析。以上研究成果表明，CFD 技术同样可以较好地促进流体力学领域的教学实践过程。为此，作者将CFD 技术引入桥梁水动力学的教学中，旨在提高桥梁水动力学课程的教学水平，开拓学生的视野。

一 计算流体力学（CFD）技术简介

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是一门基于流体力学和数值模拟仿真技术的交叉学科。自20 世纪60 年代以来，计算机数值计算技术的不断发展，促进了数值分析和理论流体力学的结合。与传统物理模型试验相比，CFD 技术具有不少优点，如计算成本低、计算速度快、计算模型不受限制等。近年来，该技术受到不少科研人员的关注。当前，不少商业软件均具备了CFD 模块，如ANSYS-Fluent、ANSYS-CFX、STAR-CD、OpenFOAM 等。其中，Fluent、OpenFOAM 在各大高校的教学实践中应用较广。目前，计算流体力学（CFD）技术被广泛应用于土木工程、船舶水利、能源动力、汽车工程和航空航天等诸多领域，尤其在流体计算和传热等方面展现出了巨大优势。众所周知，流体的运动规律是以三大守恒定律为基础，即质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律。这些守恒定律均由不同非线性程度的数学方程组进行表述，传统的求解方法很难解决一些复杂问题，而计算流体动力学（CFD）技术可以通过计算机数值计算来分析上述方程组。同时，利用丰富的图像处理工具可以清晰地看出相关规律，进而达到研究流体运动的目的。

二 CFD 技术的教学应用场景

（一）桥梁下部结构波、流作用

近几年来，随着国内经济的不断发展，海上交通需求不断增加，国内建成许多跨海大桥。不同于陆地上的桥梁，海上桥梁需要面临更加复杂的海洋情况，尤其是在波浪和水流的共同作用下，使得桥梁结构受力分析更加困难，给桥梁基础结构设计、施工和防灾减灾带来严峻的挑战[7]。因此，理解并掌握桥梁波、流作用机理和计算方法是桥梁水动力学课程重要教学内容之一。

实验室中可采用试验设备测量得到桥梁基础结构所受波浪作用的力，却很难生动地向学生展示波浪与基础相互作用过程中的详细流场信息。教师仅通过文字描述无法准确地向学生传达相应知识点，也难以向学生传授波浪作用下桥梁基础结构受力的原理。为了让学生更好地了解波、流作用于桥梁基础的整个受力过程，可利用CFD 软件对波浪或水流作用下的桥墩进行仿真模拟，将作用的整个过程通过图像或视频呈现于学生面前。下文列举一实例。

如在CFD 软件FLOW-3D 中建立一个具有一定长、宽、高的数值水槽，将桥墩模型设置在水槽中央，将水槽左侧入口边界定义为造波边界，学生可通过在此边界定义相关的环境参数和波浪参数，生成波浪作用于桥墩基础，经过软件计算便可以得到对应的模拟仿真数据。将水槽右侧定义为出流边界，为防止流域的出流边界产生对波浪的反射，影响桥墩周围的流场，应在流域出水口处设置阻尼层以减弱反射波的影响。同理，需将水槽其他边界也进行设置。水槽网格划分也是CFD 最为核心的步骤之一，在桥墩附近合理加密网格可以得到更加精确的分析数据。此外，还需进行初始条件和输出数据等设置。在做好准备工作后，即可使用CFD 软件进行仿真，软件采用有限差分法将流体力学中的连续性方程和Navier-Stokes方程等控制方程进行离散。利用CFD 软件计算离散化的控制方程，进而得到整个流场详细信息的近似解，并将分析后的结果进行可视化的处理。采用CFD 软件模拟水流和波浪作用于桥墩模型的可视化流场信息图像如图1 所示。学生可以通过具有丰富色彩的受力图以及流场的动画，再结合教师课程所传授的理论知识，对桥梁水动力学课程的原理有更深刻的理解和掌握。

图1 桥墩波、流作用CFD 技术可视化信息图

（二）水流对基础的冲刷作用

桥梁基础冲刷是指在河道中桥墩或者桥台阻碍水流运动，桥梁基础附近的流场会发生变化而带走部分泥沙的现象。基础冲刷是桥梁破坏的重要因素之一[12]。易仁彦[13]收集了2000—2014 年期间，国内桥梁在设计年限内发生坍塌事故的详细信息，在106 起桥梁垮塌事故中，由基础冲刷导致的桥梁破坏事故超过30%。在经济较发达的东部沿海地区，交通量需求较大，建设有众多跨越河流的桥梁，但由于国内多数河流中含沙量较大，东部多为平原地势，水流平缓，泥沙容易堆积为宽广的覆盖层。在夏季丰水期，水流增大，桥梁基础冲刷增强，对桥梁安全极为不利。所以在桥梁水动力课程中，桥梁基础冲刷是课程教学的另一项重要内容。

传统教学中，教师在讲授到水流造成基础冲刷的原因时，往往使用文字对基础附近流场的4 类情况进行描述，如图2 所示，分别为墩前雍水、马蹄形漩涡、墩身处向下射流和尾迹涡流[14]。此时学生往往仅停留在水流作用于基础带走泥沙的层面，并不能深入地理解流场中水流运动详细的信息。在遇到不同工况或者不同外形桥墩的情况下，学生仅依靠这个层面的知识，并不能独立思考解决多变环境下的实际问题，阻碍创新性思考。面对这些问题，可以采用CFD 技术对桥梁基础附近流域进行数值模拟，分析得到水流运动的详细信息，用生动的画面向学生展示，加深学生对知识点的印象。也可以在课堂中采取分组的方式，让学生上手操作CFD 软件，对不同形状桥梁基础的水流作用进行模拟，分析得到冲刷情况以及流域信息。图3 为课堂上所演示的桥梁台阶型沉井基础附近的水流及涡量情况，从图中流域分析可得水流的运动状态符合实际情况。CFD 三维仿真技术直观地展示了流域内部水流的运动情况，对水流冲刷基础有了清晰的认识，可以让学生在实践探索中掌握冲刷的基础理论。

图2 基础附近流场及冲刷示意图

图3 基础冲刷CFD 技术可视化信息图

三 CFD 技术的教学应用现状

自改革开放以来，随着“一带一路”“粤港澳大湾区”等建设，中国沿海地区和江河流域地区对陆路运输需求不断增长，中国桥梁的建设进入了快速发展的新阶段[1]。尤其是在港珠澳大桥和杨泗港大桥建成通车之后，国内对深水大跨径桥梁的研究进入了新的篇章。对于国内大跨径桥梁的未来发展，桥梁水动力学课程教学显得尤为重要，它不仅有利于学生对桥梁研究前沿的了解，而且为后续桥梁水动力学发展奠定坚实基础。目前，桥梁水动力学课程教学正处于发展的初期阶段，对于CFD 软件在教学中的实践应用，仍存在着些许问题。

（一）CFD 软件种类繁多

CFD 技术能够较为准确地模拟水动力作用下桥梁的受力情况，逼真地展示桥梁基础流域的实验画面，增加课程教学中的趣味性，引发学生积极思考，提高学生对桥梁水动力学的学习兴趣。但是，目前市面上常用的CFD 软件种类繁多，选择什么类型的CFD 软件应用于教学实践中，是值得考虑的问题之一。目前，CFD 软件根据软件功能可分为通用软件和专业软件；根据软件在CFD 过程中的位置可分为前处理软件和后处理软件；根据源代码是否公开可分为商业软件和开源软件，较常使用的商业软件如ANSYS-Fluent、ANSYS-CFX、FLOW-3D、STAR-CCM+等，开源软件如Open FOAM、REEF3D等，各有各的特点。Fluent 软件提供了丰富的湍流模型和多相流模型，能与ANSYS 平台其他仿真模块进行多物理场仿真；Open FOAM 软件中，用户可以自己进行编译也可以对源代码进行修改形成自己的计算软件；STAR-CCM+软件不仅可以进行热、流体分析，还拥有结构应力、噪声等其他物理场的分析功能。

（二）掌握CFD 分析的难度较大

桥梁水动力学是基于流体力学发展而来的，其课程教学和实践内容主要沿袭传统的流体力学教学模式。若引进CFD 的授课教学，由于受限于课时，教师无法在短时间内为学生进行CFD 全面的讲解。由于CFD 的使用要求初学者具备一定的计算流体力学的理论知识，且各软件的上手难度并不小，学生在私底下进行CFD 软件的自我探索过程中可能会遇到各种各样的难题，无论在前处理或者后处理模块，都可能遇到问题，这可能使得教学适得其反，学生失去了学习的兴趣。

（三）理论教学与实践脱节

由于这门课程处于发展初期，当前可供使用的教学资源并不充足。各大高校教学条件存在差异，没有充足的科研教学经费，试验设备得不到及时升级，教学的硬件设施已经无法满足教学任务的需求。在教学过程中，关于水流对桥梁基础冲刷的过程，只能通过文字和图片进行描述，学生无法动手实验，对该知识点的理解过于抽象。由于课堂教学更侧重于理论学习，实践部分相对较弱，理论和实践不能很好地结合，导致学生对这门课程的学习兴致不高，影响学习效果，这种问题普遍存在桥梁水动力学课程教学中。

四 对策与展望

通过对以上三点问题进行分析，可采取如下教学对策。

根据不同的教学目标，选择不同的CFD 软件，如：若仅展示像第二节提及的仿真应用，FLOW-3D、Fluent软件可满足教学需求；若欲展示海洋中带有夹角的波流作用，Open FOAM、STAR-CCM+等软件是最优之选；若更关注于学生的实践操作感受，FLOW-3D 软件相较于其他CFD 软件上手难度较小，在实践教学选择上更胜一筹。

针对学生学习CFD 的问题，可由教师根据主要教学算例，制作CFD 软件使用视频，通过生动有趣的软件操作教学过程，用配音的方式将一些基础理论知识在软件的操作中对学生进行传授，并通过后处理生成动画丰富教学内容，增加学生学习兴趣。

增加实践教学课在课程教学中的比重，用CFD 软件实践教学替代复杂的物理试验实践，将CFD 技术与课程教学相结合，授课过程中教师进行指导，学生一边进行CFD 的操作使用，在实践中学习，增强学生的独自分析解决问题的能力，也提升了学习的兴趣，有利于教学和科研共同发展。

通过结合波、流与基础相互作用以及水流对基础冲刷作用的教学应用场景，总结桥梁水动力课程CFD 技术在教学中应用的现状，分析得出，CFD 技术与桥梁水动力学课程教学有机地结合起来，不仅可以提高教学效率，而且可以增强学生独立思考能力。同时，不断丰富桥梁水动力学教学方法，在符合该课程建设未来发展的道路上前进，为国家培养更多桥梁领域的高水平人才。