劉立成, 趙章焰, 林偉華, 溫夢(mèng)珂, 熊 琪

(1.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063; 2.上海振華重工集團(tuán)股份有限公司,上海 200125)

目前集裝箱起重機(jī)(簡(jiǎn)稱“岸橋”)設(shè)計(jì)階段風(fēng)載荷的取值主要按照GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)來(lái)確定。但隨著岸橋大型化、輕量化的發(fā)展,按照現(xiàn)有《規(guī)范》對(duì)風(fēng)載荷進(jìn)行計(jì)算,通常導(dǎo)致起重機(jī)結(jié)構(gòu)笨重,難以滿足現(xiàn)階段岸橋的設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)上述問(wèn)題,風(fēng)洞試驗(yàn)作為風(fēng)場(chǎng)分析的有效手段被應(yīng)用于起重機(jī)的風(fēng)載荷分析。文獻(xiàn)[1]對(duì)港口起重機(jī)梯形截面的大梁進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),給出了不同風(fēng)向時(shí)大梁的風(fēng)力系數(shù);文獻(xiàn)[2-3]采用風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)分析了影響岸橋風(fēng)力系數(shù)的因素,為岸橋的風(fēng)載荷分析提供了指導(dǎo);文獻(xiàn)[4]采用風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)分析了風(fēng)向角、臂架俯仰角度、地貌對(duì)7 500 t浮吊風(fēng)載荷的影響。然而風(fēng)洞試驗(yàn)所需時(shí)間長(zhǎng)、成本高,因此探究一種能夠真實(shí)地模擬岸橋工作風(fēng)場(chǎng)環(huán)境的新方法來(lái)替代風(fēng)洞試驗(yàn),已經(jīng)成為岸橋設(shè)計(jì)企業(yè)的迫切需要。

數(shù)值模擬作為一種研究流體問(wèn)題的新型手段,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各工程抗風(fēng)領(lǐng)域。文獻(xiàn)[5]利用大渦模擬(large eddy simulation,LES)分析了車輛存在對(duì)橋梁空氣流動(dòng)的影響,并通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)應(yīng)用于橋梁風(fēng)載荷計(jì)算的準(zhǔn)確性;文獻(xiàn)[6]研究了雷諾平均方法在鈍體繞流中的計(jì)算能力,并結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了數(shù)值計(jì)算的有效性;文獻(xiàn)[7]對(duì)集裝箱船的風(fēng)載荷進(jìn)行數(shù)值模擬,并表明數(shù)值模擬結(jié)果能夠與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相吻合;文獻(xiàn)[8]通過(guò)CFD技術(shù)分析了周圍建筑物對(duì)目標(biāo)建筑物周圍風(fēng)場(chǎng)的影響,表明CFD技術(shù)可用于預(yù)測(cè)城市配置中建筑物周圍的風(fēng)場(chǎng)特性;文獻(xiàn)[9]采用15種湍流模型分別對(duì)建筑室外的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值求解,結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)確定了適用于建筑室外風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬的最優(yōu)湍流模型;文獻(xiàn)[10]選取常用的6種湍流模型對(duì)汽車風(fēng)洞內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了湍流模型的綜合性能;文獻(xiàn)[11]結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)資料詳細(xì)分析了5種湍流模型在二維方柱繞流模擬中的差異,揭示了不同湍流模型的特點(diǎn)。在港口起重機(jī)抗風(fēng)研究領(lǐng)域,文獻(xiàn)[12]采用k-ε湍流模型對(duì)造船門(mén)式起重機(jī)的風(fēng)載荷分布情況進(jìn)行模擬,提出了提高起重機(jī)結(jié)構(gòu)防風(fēng)能力的方法;文獻(xiàn)[13]采用雷諾應(yīng)力模型(Reynolds stress model,RSM)對(duì)岸橋風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,并結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)值模擬可以較準(zhǔn)確地獲取岸橋的平均風(fēng)載荷;文獻(xiàn)[14]利用Matlab模擬脈動(dòng)風(fēng)載荷,并結(jié)合有限元軟件分析了脈動(dòng)風(fēng)作用下的岸橋振動(dòng)情況,提出了減小岸橋風(fēng)激振動(dòng)的措施;文獻(xiàn)[15]運(yùn)用ADINA軟件對(duì)門(mén)座起重機(jī)進(jìn)行數(shù)值風(fēng)場(chǎng)分析,為目前港口起重機(jī)的防風(fēng)安全提供了參考;文獻(xiàn)[16]采用SSTk-ω湍流模型模擬了雙箱梁起重機(jī)周圍流場(chǎng)的壓力分布以及箱梁截面的體型系數(shù),研究了箱梁結(jié)構(gòu)體型系數(shù)的變化規(guī)律。

然而,CFD技術(shù)在岸橋抗風(fēng)領(lǐng)域的應(yīng)用相比于其他領(lǐng)域還存在以下不足:① 岸橋的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較少,難以對(duì)數(shù)值計(jì)算方法的可信度做出有效評(píng)估;② 由于缺乏對(duì)湍流模型的性能評(píng)估,在應(yīng)用中難以形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),使得相關(guān)研究人員對(duì)湍流模型的選取較為分散,計(jì)算結(jié)果的可信度存疑。

本文選取工程領(lǐng)域常用的5種湍流模型 Standardk-ε、RNGk-ε、Realizablek-ε、Standardk-ω和SSTk-ω對(duì)上海振華重工集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)的某集裝箱起重機(jī)展開(kāi)數(shù)值模擬研究,結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)各湍流模型的適用性進(jìn)行分析,通過(guò)這些研究為集裝箱起重機(jī)風(fēng)場(chǎng)數(shù)值計(jì)算提供重要指導(dǎo)。

1 湍流模型的基本理論

結(jié)合其他工程領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn),可以將岸橋的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境視為恒溫不可壓縮氣體,即氣體密度ρ為常數(shù),其控制方程可以表示為:

(1)

(2)

其中,ρ為氣體密度;u為速度分量;f為作用在單位質(zhì)量流體上的體積力分量;ν為運(yùn)動(dòng)黏度。(1)式為連續(xù)性方程,(2)式為動(dòng)量方程(N-S方程)。

本文選取的5種湍流模型均采用雷諾平均法對(duì)N-S方程進(jìn)行求解。Standardk-ε模型選用湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε作為湍流尺度,被廣泛使用于工程應(yīng)用中,其計(jì)算收斂性和精度能夠滿足工程計(jì)算的要求。但Standardk-ε模型也存在一定的局限性,如不能反映邊界層內(nèi)、復(fù)雜湍流區(qū)域等處的流動(dòng)各向異性,因此人們對(duì)Standardk-ε模型進(jìn)行改進(jìn),其中應(yīng)用比較廣泛的有RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型。RNGk-ε模型使用嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù),能夠考慮低雷諾數(shù)的影響;Realizablek-ε模型在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、流動(dòng)分離和二次流中有較好的表現(xiàn)[17]。

Standardk-ω模型引入并建立了比耗散率ω的輸運(yùn)方程,與k方程一起構(gòu)成了k-ω模型,目的是克服Standardk-ε模型不適用于近壁面低雷諾數(shù)區(qū)域計(jì)算等問(wèn)題[17]。

SSTk-ω模型在Standardk-ω模型的基礎(chǔ)上綜合了k-ω模型在近邊界層的精確性和k-ε模型對(duì)邊界層外部的獨(dú)立性,使該模型具有兩者的優(yōu)點(diǎn)[18]。

2 模型控制與數(shù)值計(jì)算

2.1 模型與邊界條件的設(shè)置

為了方便與風(fēng)洞試驗(yàn)作對(duì)比,按照風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s尺比(1∶100)建立岸橋數(shù)值計(jì)算模型,考慮到后續(xù)網(wǎng)格劃分質(zhì)量以及計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力,對(duì)模型進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化,省略了一些對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷影響較小的結(jié)構(gòu)部件,并對(duì)岸橋的各構(gòu)件連接部位以及過(guò)渡邊角進(jìn)行了必要的處理以提高網(wǎng)格質(zhì)量。

數(shù)值計(jì)算模型與風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?duì)比如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬模型與風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

數(shù)值模擬中邊界條件的特性盡可能保證與風(fēng)洞試驗(yàn)一致,其邊界條件的設(shè)定主要包括進(jìn)出口邊界、交界面邊界、岸橋表面和地面邊界等。入口邊界為速度進(jìn)口,參數(shù)的設(shè)置與風(fēng)洞試驗(yàn)相同,包括均勻風(fēng)和梯度風(fēng)2種情況;出口邊界采用出流邊界;外部流場(chǎng)域除底面外全部采用對(duì)稱邊界條件來(lái)反映流動(dòng)中的滑移壁面;岸橋的壁面以及流場(chǎng)域底面采用無(wú)滑移的壁面邊界條件;內(nèi)外流場(chǎng)域之間利用交界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。具體的設(shè)置如圖2所示。

圖2 邊界條件示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分

岸橋整體模型桿件較多,空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分比較困難,因此采用自動(dòng)加密性好,且能滿足數(shù)值計(jì)算精度要求的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行模型劃分。為保證計(jì)算精度,將岸橋的流場(chǎng)域分成2個(gè)部分,如圖3所示,在結(jié)構(gòu)壁面附近采用細(xì)化的網(wǎng)格尺度,而對(duì)遠(yuǎn)離岸橋表面的流場(chǎng)域適當(dāng)加大網(wǎng)格尺度,以降低對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求和縮短計(jì)算時(shí)間。本文將整個(gè)流場(chǎng)域的尺寸設(shè)置為34.41 m×18.64 m×4.46 m,以保證岸橋旋轉(zhuǎn)至任意角度數(shù)值計(jì)算模型均能符合阻塞率的要求,同時(shí)保證尾流得到充分發(fā)展。

圖3 岸橋的流場(chǎng)域形狀及網(wǎng)格

為排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,需對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn),本文采用4套大小不同的網(wǎng)格對(duì)流場(chǎng)域進(jìn)行劃分,4套網(wǎng)格的數(shù)量分別為6.5×106、7.5×106、8.5×106、12.0×106,在其他條件不變的情況下,選取順風(fēng)方向的風(fēng)力系數(shù)作為檢測(cè)指標(biāo)。整機(jī)風(fēng)力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所列,主要部件風(fēng)力系數(shù)隨網(wǎng)格的變化情況如圖4所示,其中編號(hào)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 整機(jī)風(fēng)力系數(shù)隨網(wǎng)格的變化統(tǒng)計(jì)

圖4 主要部件風(fēng)力系數(shù)隨網(wǎng)格的變化情況

由表1、圖4可知,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到7.0×106時(shí),網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響比較小,整機(jī)風(fēng)力系數(shù)最大相差在3%以內(nèi),并且各構(gòu)件的風(fēng)力系數(shù)基本無(wú)變化,計(jì)算結(jié)果展現(xiàn)網(wǎng)格無(wú)關(guān)特性。因此,本文在岸橋的數(shù)值模擬中將其網(wǎng)格數(shù)量控制在7.0×106附近。

2.3 計(jì)算工況及數(shù)據(jù)處理

數(shù)值計(jì)算工況按照風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取均勻風(fēng)和梯度風(fēng)2種典型工況,每種工況風(fēng)向角從0°～360°變化,計(jì)算間隔為45°。數(shù)據(jù)處理在如圖5所示的坐標(biāo)系中進(jìn)行,其中,Oxyz為體軸坐標(biāo)系;Oxsyszs為風(fēng)軸坐標(biāo)系,Oxs軸為順風(fēng)方向,Ozs軸垂直地面向上,Oys軸通過(guò)右手法則確定;φ為風(fēng)向角度。

圖5 風(fēng)向及坐標(biāo)示意圖

根據(jù)岸橋工作時(shí)的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境,選取岸橋的工作風(fēng)速進(jìn)行數(shù)值模擬,且數(shù)值模擬的進(jìn)口速度與風(fēng)洞試驗(yàn)保持一致。其中均勻風(fēng)速U=22 m/s,梯度風(fēng)的入口速度剖面與試驗(yàn)采用完全相同的計(jì)算公式,按照《建筑風(fēng)載荷規(guī)范》中的指數(shù)形式進(jìn)行取值,具體計(jì)算公式為:

(3)

其中,U0為參考風(fēng)速,選取10 m高度的平均風(fēng)載荷,本文取22 m/s;H為距離地面的高度;U為距離地面H處的風(fēng)速。本文的數(shù)值模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ途鶠榭s比模型,因此,按照縮尺比(1∶100)進(jìn)行換算,以此獲取計(jì)算模型梯度風(fēng)的入口速度。

為方便數(shù)據(jù)對(duì)比,本文在風(fēng)軸坐標(biāo)系Oxsyszs中對(duì)岸橋的整機(jī)風(fēng)載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè),并對(duì)整機(jī)的風(fēng)載荷進(jìn)行無(wú)量綱化處理,獲得岸橋模型不同工況下3個(gè)方向的風(fēng)力系數(shù)CF、力矩系數(shù)CM,其中數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)選取完全相同的特征尺寸。CF、CM無(wú)量綱化計(jì)算公式如下:

(4)

(5)

其中,U為參考風(fēng)速,取22 m/s;ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣密度,取1.225 kg/m3;S為無(wú)因次特征參數(shù),取S=0.1LH=0.118 7 m2,L為岸橋特征長(zhǎng)度,取模型最大長(zhǎng)度1.476 m,H為岸橋特征高度,取模型最大高度0.896 4 m。

考慮到順風(fēng)方向的風(fēng)載荷對(duì)岸橋的影響最為顯著,本文選取順風(fēng)方向上數(shù)值模擬的風(fēng)力系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)間的相對(duì)誤差對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)判,具體計(jì)算公式為:

(6)

其中,η為順風(fēng)方向的相對(duì)誤差;CF為數(shù)值模擬的風(fēng)力系數(shù);CF′為風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)力系數(shù)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析與討論

3.1 風(fēng)力系數(shù)結(jié)果對(duì)比分析

數(shù)值模擬在Fluent軟件中進(jìn)行,采用5種湍流模型分別計(jì)算了岸橋在均勻風(fēng)場(chǎng)和梯度風(fēng)場(chǎng)中8個(gè)風(fēng)向角下的風(fēng)力系數(shù)和風(fēng)力矩系數(shù),共計(jì)80個(gè)計(jì)算結(jié)果,將每種湍流模型模擬的結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,其風(fēng)力系數(shù)對(duì)比結(jié)果如圖6、圖7所示。從圖6、圖7可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果關(guān)于風(fēng)向角φ=180°呈對(duì)稱或反對(duì)稱分布,這與岸橋結(jié)構(gòu)的布局相吻合。

從圖6a、圖7a可以看出,5種湍流模型計(jì)算的風(fēng)力系數(shù)在Oxs方向與風(fēng)洞試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果基本保持一致；在均勻風(fēng)場(chǎng)中,數(shù)值模擬的結(jié)果總體上小于風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果。造成兩者之間差異的主要原因是數(shù)值模擬模型與風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趲缀紊洗嬖谝欢ǖ牟町?其中數(shù)值模擬模型在風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化,造成其迎風(fēng)面積減少,從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏小；而在梯度風(fēng)場(chǎng)中,數(shù)值模擬的結(jié)果略大于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這可能是由于岸橋在梯度風(fēng)場(chǎng)中湍流比較復(fù)雜,導(dǎo)致數(shù)值模擬本身與風(fēng)洞試驗(yàn)存在差異。

圖6 均勻風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力系數(shù)對(duì)比

圖7 梯度風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力系數(shù)對(duì)比

從圖6b、圖6c以及圖7b、圖7c可以看出,數(shù)值模擬的結(jié)果在Oys方向、Ozs方向上與風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果相差較大。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，造成這種現(xiàn)象的原因主要是Oys方向與Ozs方向的風(fēng)載荷非常小,在試驗(yàn)中準(zhǔn)確獲取此方向的數(shù)據(jù)比較困難,導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差。

通過(guò)數(shù)值模擬以及風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，風(fēng)對(duì)岸橋產(chǎn)生的作用力主要體現(xiàn)在順風(fēng)方向上,而在垂直于風(fēng)速方向上的風(fēng)載荷很小,在設(shè)計(jì)中可以忽略不計(jì)。從圖6順風(fēng)方向的風(fēng)力系數(shù)來(lái)看,Standardk-ε模型的計(jì)算結(jié)果普遍大于其余4種湍流模型的計(jì)算結(jié)果。由圖6a可知,均勻風(fēng)場(chǎng)中在風(fēng)向角為45°、90°、135°、225°、270°、315°時(shí),Standardk-ε模型相比于其他4種湍流模型能夠更加貼近風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,其風(fēng)力系數(shù)的最大誤差為13%；其他4種湍流模型的數(shù)值模擬結(jié)果相互之間比較接近,沒(méi)有特別明顯的差異,它們與風(fēng)洞試驗(yàn)的誤差均在18%以內(nèi),與Standardk-ε模型的計(jì)算結(jié)果相比計(jì)算精度較差；在0°方向上,5種湍流模型的計(jì)算結(jié)果比較接近,與風(fēng)洞試驗(yàn)的誤差均在16%左右?？紤]到岸橋的數(shù)值模擬模型是在風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化,因此可以認(rèn)為在均勻風(fēng)場(chǎng)中5種湍流模型的適用性較好。

在梯度風(fēng)場(chǎng)中,由圖7a可知,相比于其他4種湍流模型，Standardk-ε模型與風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)值相差明顯較大,其最大相對(duì)誤差達(dá)到了25%；Standardk-ω模型的最大誤差為20%，而RNGk-ε、Realizablek-ε和SSTk-ω模型的計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)的相對(duì)誤差均在20%以內(nèi)；其中RNGk-ε模型在0°～360°風(fēng)向上的整體誤差最小,僅在45°方向上的誤差為17%,其余方向上的相對(duì)誤差均在10%附近,其中90°、180°、270°的誤差為5%左右。因此,在梯度風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬中,5種湍流模型的差異性較大,其中Standardk-ε模型、Standardk-ω模型的適用性較差。

考慮到力矩值一般情況下比力的值大,更有利于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取,因此對(duì)5種湍流模型計(jì)算獲取的風(fēng)力矩系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知，在Oxs和Ozs方向上5種湍流模型計(jì)算的風(fēng)力矩系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果的擬合程度遠(yuǎn)好于對(duì)應(yīng)方向上的風(fēng)力系數(shù)。

圖8 均勻風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力矩系數(shù)對(duì)比

圖9 梯度風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力矩系數(shù)對(duì)比

通過(guò)以上綜合分析可知,數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果具有一定的差異,這是由于兩者間模型存在差異以及風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)在獲取過(guò)程中也可能存在誤差。

因此，可以認(rèn)為數(shù)值模擬在岸橋的風(fēng)場(chǎng)分析中具有一定的可行性。

對(duì)數(shù)值模擬中岸橋順風(fēng)方向上5種湍流模型的綜合表現(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表2所列。由表2可知,5種湍流模型在岸橋的風(fēng)場(chǎng)分析中相互之間的模擬結(jié)果相差不是特別明顯；但相比而言，RNGk-ε模型在均勻風(fēng)場(chǎng)和梯度風(fēng)場(chǎng)中的計(jì)算結(jié)果比較穩(wěn)定,其結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)的誤差受風(fēng)向角的影響較??；而Standardk-ε模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)風(fēng)向角的變化比較敏感,誤差的變化范圍較大,特別是對(duì)梯度風(fēng)場(chǎng)的模擬較差；其余3種湍流模型的計(jì)算結(jié)果與RNGk-ε模型比較接近。這主要是由于在岸橋表面以及地面附近的流體流動(dòng)受邊界層的影響,導(dǎo)致該區(qū)域的流體流動(dòng)比較復(fù)雜,在梯度風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)速隨高度的變化比較明顯,使得流體在岸橋附近的流動(dòng)更為復(fù)雜,而Standardk-ε模型主要適用于模擬完全湍流的過(guò)程,難以準(zhǔn)確反映邊界層內(nèi)以及復(fù)雜區(qū)域的流動(dòng),從而導(dǎo)致Standardk-ε模型對(duì)梯度風(fēng)的模擬結(jié)果較差。因此,可以認(rèn)為采用RNGk-ε模型計(jì)算的結(jié)果可信度更高,更能有效地對(duì)岸橋不同風(fēng)場(chǎng)環(huán)境以及風(fēng)向角下的風(fēng)載荷進(jìn)行模擬。

3.2 湍流模型收斂性分析

數(shù)值模擬過(guò)程為迭代求解,5種湍流模型由于各自方程的差異以及各參數(shù)設(shè)置的不同,導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程中的收斂性存在差異。在數(shù)值模擬過(guò)程中,為檢驗(yàn)5種湍流模型的收斂性,對(duì)90°風(fēng)向角下數(shù)值模擬過(guò)程中順風(fēng)方向風(fēng)力系數(shù)的迭代情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在均勻風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬過(guò)程中，5種湍流模型的風(fēng)力系數(shù)在順風(fēng)方向上的迭代收斂情況如圖10所示。

圖10 均勻風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力系數(shù)CF的迭代情況

從圖10可以看出,Standardk-ε模型和Realizablek-ε模型的收斂性最好,收斂結(jié)果的波動(dòng)最小，并且Standardk-ε模型的收斂速度要優(yōu)于其他模型,大概在300步已經(jīng)開(kāi)始收斂；而RNGk-ε模型和SSTk-ω模型的收斂速度比較慢,大概在500步時(shí)開(kāi)始收斂,而且收斂的結(jié)果波動(dòng)性相比于其他3種模型大,但計(jì)算結(jié)果的波動(dòng)范圍均在10-3以內(nèi),能夠滿足計(jì)算精度的要求。因此,總體上5種湍流模型的收斂性均能夠滿足數(shù)值模擬的要求。

梯度風(fēng)計(jì)算中5種湍流模型的收斂情況如圖11所示。

從圖11可以看出,梯度風(fēng)的計(jì)算中湍流模型的整體收斂情況與均勻風(fēng)計(jì)算結(jié)果相似,其中RNGk-ε模型的收斂性與其他4種湍流模型相比效果較差。

圖11 梯度風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力系數(shù)CF的迭代情況

4 結(jié) 論

(1) 本文采用數(shù)值計(jì)算方法能夠較準(zhǔn)確地獲取岸橋在順風(fēng)方向上的風(fēng)力系數(shù),而在其他2個(gè)方向上的風(fēng)力系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果差距較大；但力矩系數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果在各個(gè)方向上與試驗(yàn)結(jié)果均比較接近。

(2) 在5種湍流模型中,Standardk-ε模型不適合梯度風(fēng)的模擬,其計(jì)算精度比其他4種湍流模型的計(jì)算精度低,但在均勻風(fēng)場(chǎng)中,其計(jì)算精度比較高。從整體計(jì)算情況來(lái)看,RNGk-ε模型更加適合岸橋的風(fēng)場(chǎng)模擬,但在計(jì)算時(shí)要注意RNGk-ε模型的收斂速度比較慢,且收斂結(jié)果具有一定的波動(dòng)性。

(3) 通過(guò)數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)風(fēng)向角為45°、135°時(shí)風(fēng)力系數(shù)較大,在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意此方向上風(fēng)載荷對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)的影響。