一種山區(qū)峽谷橋址區(qū)風(fēng)場特性數(shù)值模擬方法

靖洪淼， 廖海黎,2， 周 強(qiáng),2， 馬存明,2

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031；2.風(fēng)工程四川省重點實驗室，成都 610031)

近年來，山區(qū)建造大跨度橋梁、大跨空間結(jié)構(gòu)等風(fēng)敏感性基礎(chǔ)設(shè)施的情況逐漸增多。對于此類柔性結(jié)構(gòu)而言，建設(shè)場地的強(qiáng)風(fēng)特性是決定其風(fēng)致響應(yīng)的關(guān)鍵因素之一，有時甚至是控制其結(jié)構(gòu)設(shè)計的決定性因素?，F(xiàn)有的相關(guān)抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范[1]也大多針對平原、緩丘和沿海地區(qū)，不能直接用于確定復(fù)雜山區(qū)峽谷地形橋址處的風(fēng)場特性。對此，目前主要有三種方法用于研究并確定復(fù)雜地形的風(fēng)場特性，分別是：現(xiàn)場實測、地形模型風(fēng)洞試驗和CFD(Computational Fluid Dynamics)地形數(shù)值模擬。

現(xiàn)場實測方法是直接最有效獲取風(fēng)場特性參數(shù)的手段，尤其是脈動風(fēng)速特性中的風(fēng)速譜、紊流強(qiáng)度、紊流積分尺度、陣風(fēng)系數(shù)等。例如張明金[2-4]等，在現(xiàn)場建立測風(fēng)塔，安裝風(fēng)場實時監(jiān)測系統(tǒng)，得到了較為完備的山區(qū)峽谷地形橋位處的風(fēng)場特性。但是，該方法需要很長的數(shù)據(jù)采集時間，現(xiàn)場條件苛刻，耗費大量的人力、物力和財力。地形模型風(fēng)洞試驗很好的避免了現(xiàn)場實測方法的缺點，如試驗周期短，試驗條件容易控制，模型制作簡便，試驗數(shù)據(jù)可靠等。Xu等[5-9]采用地形模型風(fēng)洞試驗方法，研究了復(fù)雜山區(qū)峽谷地形橋址處的風(fēng)場空間分布特性。受風(fēng)洞試驗條件的限制，地形模型表達(dá)的地理范圍和采用的比例尺一般都很小。此外，地形模型風(fēng)洞試驗無法保證雷諾數(shù)一致性要求，其試驗結(jié)果準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步研究。CFD地形數(shù)值模擬很好地解決了現(xiàn)場實測和地形風(fēng)洞試驗中的缺點，如地形范圍可任意選取，風(fēng)速和風(fēng)向可任意設(shè)置，費用最少，周期短等。目前采用CFD方法研究風(fēng)場特性也是一大熱點，例如李永樂等[12-13]采用了地形CFD數(shù)值模擬方法，得到了較大范圍復(fù)雜地形的風(fēng)場特性。Ren等[14]利用數(shù)值模擬方法，研究了河南某地的風(fēng)場特性，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的復(fù)雜地形空間風(fēng)場預(yù)測模型。Jubayer等[15]同樣采用數(shù)值模擬方法，研究了一個較大區(qū)域地形風(fēng)場特性，并以數(shù)值模擬結(jié)果為基礎(chǔ)設(shè)置地形風(fēng)洞試驗入口條件，最終得到了更加接近實際情況的風(fēng)場特性。此外，部分文章還對地形過渡段形式做了研究并應(yīng)用，例如胡朋等[16]基于理想流體圓柱繞流推導(dǎo)出一類過渡段曲線， Ren等采用了一種平方余弦函數(shù)用于計算域邊界平滑過渡。

雖然CFD地形數(shù)值模擬得到了普遍的研究和應(yīng)用，但入口風(fēng)速條件設(shè)置、地形計算區(qū)域選取、地形邊界過渡形式等方面還不明確，如入口的參考風(fēng)速仍然很隨意，使得數(shù)值模擬雷諾數(shù)和實際雷諾數(shù)嚴(yán)重不相符；截取矩形地形作為計算區(qū)域，難于保證風(fēng)場的充分發(fā)展，這些都會導(dǎo)致計算結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性不足。為此，本文提出了一種新型的山區(qū)峽谷橋址處風(fēng)場特性數(shù)值模擬研究方法，合理地設(shè)置了計算域，確保風(fēng)場充分發(fā)展；并采用“虛擬標(biāo)準(zhǔn)氣象站”法獲取較合理的入口邊界條件，使數(shù)值模擬雷諾數(shù)與實際雷諾數(shù)盡量一致。最終，根據(jù)本文提出的數(shù)值模擬方法，得到了較為準(zhǔn)確的山區(qū)峽谷橋位處風(fēng)場特性參數(shù)，也為該類地形數(shù)值模擬研究提供了一定參考。

1 數(shù)值計算模型

某待建大跨度橋梁走向以及橋位附近的地形如圖1所示，從圖中可以看出，河道總體呈西南到東北走向，在橋位處幾乎與待建橋梁垂直。橋位四周均有海拔達(dá)1 000 m以上的山峰，并且數(shù)量眾多。橋位附近東部和北部相對平坦，海拔較低，而遠(yuǎn)處卻是海拔較高山峰。因此該地區(qū)地形十分復(fù)雜，其風(fēng)環(huán)境也非常復(fù)雜。

1.1 地形和計算域

本文采用imageware軟件，直接利用散點云圖數(shù)據(jù)生成地形曲面，即首先基于SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)數(shù)據(jù)(SRTM數(shù)據(jù)是根據(jù)美國太空總署、國防部國家測繪局以及德國與意大利航天機(jī)構(gòu)共同合作完成聯(lián)合測量的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，繪制成的數(shù)字地形高程模型)，在專業(yè)地形軟件Global Mapper中，提取三維地形散點云圖，然后，導(dǎo)入imageware軟件，直接利用上述散點云圖構(gòu)建三角形網(wǎng)格地形曲面。最后在地形曲面上選取以橋位為中心的半徑5 km的圓形地形范圍。其中三維地形散點云圖的水平解析度是30 m，以及圓形地形范圍內(nèi)最高和最低海拔相差約750 m，imageware軟件擬合的地形曲面與原數(shù)字高程數(shù)據(jù)的誤差不超過5%。

圖1 橋位處地形圖Fig.1 Terrain at bridge site

由于橋位處地形非常復(fù)雜，而且地形解析度有限，所以導(dǎo)致計算域邊界十分陡峭。為減少地形邊界突變對風(fēng)場模擬結(jié)果的影響，確保獲得更符合實際的風(fēng)場選取的地形邊界需要做延伸以及光滑處理。本文利用ICEM軟件中的B-Spline曲面形式作為過渡面，連接地形邊界與計算域底面，如圖2所示。此外由于選取的地形區(qū)域面積足夠大，當(dāng)氣流發(fā)展到橋位處時，邊界過渡段的影響基本可以忽略。在本研究中，地形計算域的過渡段的距離為1 km，而Liu 等[17]在30 km×30 km的計算域中僅采用了1 km長度的過渡段，并取得了較好的模擬結(jié)果。顯然本文計算域遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Liu等采用的計算域，但仍然采用1 km的過渡段，因此上述處理方式可以滿足數(shù)值模擬的需要。最終處理后的地形如圖3所示，其中待建橋梁主梁和地形邊緣的海拔高度差為70 m。

為了確保風(fēng)場的充分發(fā)展，并兼顧工況設(shè)置，總體計算域在圓形地形區(qū)域上，采用長方體形式，長寬高分別為：30 km，20 km和3 km，如圖4所示。計算域的阻塞率不超過5%。所關(guān)注的地形區(qū)域(半徑為6 km的圓形區(qū)域)位于總長方體計算域中心，而且可以繞圓心旋轉(zhuǎn)，便于改變來流方向，從而滿足設(shè)置不同計算工況的要求。

圖2 地形邊界過渡形式Fig.2 Transition of terrain edge

圖3 地形三維曲圖Fig.3 Three-dimensional terrain

圖4 計算域Fig.4 Computational domain

1.2 網(wǎng)格劃分

如圖5所示，整個計算域分成兩個部分：外部區(qū)域和內(nèi)部圓柱地形區(qū)域。其中外部區(qū)域比較規(guī)則，因此采用正交性較好的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；內(nèi)部地形很復(fù)雜，因此采用適應(yīng)性更好的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。內(nèi)部地形表面采用了10層邊界層網(wǎng)格，其中第一層網(wǎng)格的水平間距不超過40 m。針對第一層網(wǎng)格豎向高度，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)給出的經(jīng)驗值(如李永樂等、Ren等、Liu等和祝志文等[18]給出的第一層網(wǎng)格高度分別為10 m，5 m，6 m和5 m)，本文設(shè)定為5 m，故其y+值為500左右。Blocken[19]指出y+≈500以內(nèi)屬于邊界層，且在邊界層內(nèi)可采用壁面函數(shù)處理，節(jié)省計算資源而且獲得較精確的計算結(jié)果。因此，本文在地形表面增設(shè)了壁面函數(shù)(nut-K wall function)，以確保數(shù)值計算的精度。此外，Liu等指出地表樹木等植被的平均高度為15 m，第一層網(wǎng)格高度小于此值即可滿足要求，即本文設(shè)置的第一層網(wǎng)格高度滿足此要求。由于地形復(fù)雜，在內(nèi)部圓柱地形區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，因此，地表附近部分網(wǎng)格質(zhì)量稍差，但質(zhì)量也在0.35以上，其余部分網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.5。外部區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，底層網(wǎng)格高度為5 m，從下往上也是按照1.2的比例逐漸增大?？傮w網(wǎng)格數(shù)量約為420萬。

1.3 湍流模型和邊界條件

在風(fēng)場數(shù)值模擬中，選取了對流動分離具有較好解析度的k-ωSST湍流模型。采用有限體積法對計算域流場進(jìn)行離散，由于復(fù)雜地形下橋梁抗風(fēng)安全性更關(guān)心平均風(fēng)特性，而且計算流場充分發(fā)展后的平均風(fēng)場特性接近穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果，因此本文采用了穩(wěn)態(tài)不可壓縮simpleFoam求解器。壓力與速度耦合采用simple算法。對流項和黏度項采用了二階中心差分格式離散。

如圖4所示，上面、下面和頂面為對稱邊界條件(symmetry),地面采用無滑移固定壁面(No-Slip)。由于本計算采用的計算域較大，在出口邊界上流場已得到充分發(fā)展，故出口邊界采用開放式零壓力出口(Open pressure)。由于橋梁主梁距地表的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地表植被等的高度，因此在數(shù)值模擬中并未考慮地表粗糙度。內(nèi)部和外部網(wǎng)格交界面采用cyclicAMI邊界條件，該種邊界條件允許速度和壓力的傳遞。計算域入口為速度入口(Velocity inlet)邊界條件，按大氣邊界層C類指數(shù)風(fēng)剖面(粗糙度系數(shù)為0.22)形式從計算域入口底面開始設(shè)置；在梯度風(fēng)高度450 m以上，風(fēng)速采用固定值。

為了更加科學(xué)地設(shè)置入口橋位高度處的參考風(fēng)速，使模擬地形風(fēng)場的雷諾數(shù)更加符合實際情況，采用了“虛擬標(biāo)準(zhǔn)氣象站”法[20]計算入口橋位高度處的風(fēng)速值?，F(xiàn)假定在橋位主梁高度處設(shè)立虛擬氣象站，該站的平均海拔高度取為688 m。從《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》中，可以查出橋位200 km范圍內(nèi)8個地區(qū)的海拔和對應(yīng)的百年風(fēng)速，見表1。圖6給出了表1中各氣象站點最大風(fēng)速隨高度變化的情況，并利用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到橋位處虛擬氣象站重現(xiàn)期為100年的風(fēng)速隨海拔高度變化的曲線。利用擬合的風(fēng)速-海拔高度公式，可得該虛擬氣象站的百年一遇的最大風(fēng)速為24.75 m/s。將24.75 m/s作為橋位虛擬氣象站的基本風(fēng)速U10。入口采用指數(shù)風(fēng)速形式，根據(jù)橋位周圍的地形情況，取為C類地形，即地面粗糙度系數(shù)α=0.22，湍流度取5%。入口指數(shù)風(fēng)速表達(dá)式為式(1)，如前面所述，橋梁主梁到計算域入口底邊的相對高度是70 m，所以入口橋位高度處的風(fēng)速為37.97 m/s。

(1)

式中：z為距計算域入口底邊的距離,m;Uz為距計算域入口底邊距離z處的風(fēng)速,m/s。

圖5 計算域網(wǎng)格信息Fig.5 Mesh system

地點距離/km海拔/m100年風(fēng)速貴陽1611 074.325.2桐梓12497225.1習(xí)水1881 180.225.4遵義市98843.924.9思南54416.324.4銅仁130279.724.2凱里市109720.324.8吉首市184206.624.2

1.4 工況說明

在實際情況中，影響橋梁工程安全的主要是橫橋向來流，同時為了說明本文數(shù)值模擬的合理性，這里設(shè)置了6種不同來流風(fēng)向，見圖7所示，并以此設(shè)置工況編號(圖中圓圈內(nèi)數(shù)字)。工況1、工況2和工況3的水平夾角依次為15°；工況4、工況5和工況6的水平夾角也依次為15°。主梁考察點見圖8所示，共18個，依次均勻分布在兩個橋塔之間的主梁上。兩個橋塔間距為680 m，因此主梁相鄰觀測點間距為40 m。此外，為了得到橋位處風(fēng)速剖面情況，分別在1/4跨、跨中和3/4跨處從下往上依次設(shè)置了30個觀測點。其中相鄰觀測點之間的豎向間距為20 m，最底部觀測點到主梁的距離為60 m。

圖6 橋位附近氣象站點最大風(fēng)速隨高度的變化Fig.6 Variation of maximum wind speed with height of weather stations near the bridge site

圖7 工況示意圖Fig.7 Diagram of load cases

圖8 主梁觀測點布置示意圖Fig.8 Diagram of measurement points at the bridge girder

2 結(jié)果與討論

由于本文采用的是穩(wěn)態(tài)計算，故選取流動充分發(fā)展的狀態(tài)為最終流場狀態(tài)。如圖9所示，中心平面上遠(yuǎn)離地形的尾流區(qū)域的壓力梯度約為零，即表明流動已得到充分發(fā)展。

圖9 中心剖面壓力云圖Fig.9 Pressure contour of center plane

基于上述最終流場狀態(tài)，分析了山區(qū)峽谷橋址處的風(fēng)場特性，得到了擬建橋梁主梁上的水平風(fēng)速、風(fēng)攻角α、風(fēng)向角β和風(fēng)速放大系數(shù)Cu等，以及主梁1/4跨、中跨和3/4跨處的平均風(fēng)速剖面情況，并結(jié)合CFD數(shù)值模擬流跡顯示的優(yōu)點，研究了橋址處山體等地形對風(fēng)場特性的影響機(jī)理。風(fēng)攻角α、風(fēng)向角β和風(fēng)速放大系數(shù)Cu的計算表達(dá)式見式(2)～式(4)。

(2)

(3)

(4)

式中：u，v，w分別為主梁上橫橋向，順橋向和豎向風(fēng)速分量；vb為主梁上的測點風(fēng)速，v0為入口主梁高度處的風(fēng)速。

2.1 平均風(fēng)速沿主梁分布

為了便于橋梁工程抗風(fēng)設(shè)計的需要，主梁水平方向的風(fēng)速分解為順橋向和橫橋向，并無量綱化，參考風(fēng)速為主梁高度入口處的風(fēng)速，如圖10和圖11所示。從圖10的主梁橫橋向風(fēng)速可以看出，工況4和工況6中部分橫橋向風(fēng)速較大，其中工況4為主梁前半段，工況6為主梁后半段，另外工況5的橫橋向風(fēng)速普遍較大。以工況5為例，從圖12的主梁流線圖中可以看出，由于河道和兩岸地勢的原因，來流在主梁處發(fā)生了匯聚，產(chǎn)生了明顯的“峽谷效應(yīng)”，工況4和工況6的主梁流線圖也基本同上。另外，工況2的主梁左半段風(fēng)速明顯相對較小，分析其主梁流線圖(見圖13)可以發(fā)現(xiàn)，由于其上游地形比較復(fù)雜，有兩股來流匯聚到主梁上，其中主梁左半段由上部來流控制。這股來流在上游發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，特別是到達(dá)主梁前，較高的地勢對來流產(chǎn)生了阻擋和分散作用，因此導(dǎo)致風(fēng)速變小。而下部來流在河道均處于匯聚狀態(tài)，流經(jīng)主梁時處于山體迎風(fēng)坡頂部，產(chǎn)生了加速作用。

圖10 主梁橫橋向風(fēng)速分布Fig.10 Distribution of transverse wind speed along the bridge girder

圖11 主梁順橋向風(fēng)速分布Fig.11 Distribution of longitudinal wind speed along the bridge girder

圖12 工況5的主梁流線圖(左側(cè)為風(fēng)速入口)Fig.12 Streamline of case 5 (inlet on the left)

對于順橋向風(fēng)速，隨著來流和橋梁橫橋向夾角的增大，風(fēng)速也由小變大，并且整體分布比較均勻。由于地形相對平緩，該段河道相對平直，因此上下游來流時，順橋向風(fēng)速線型比較一致，大體呈對稱分布，如工況1和工況6。

圖13 工況2的主梁流線圖(左側(cè)為風(fēng)速入口)Fig.13 Streamline of case 2 (inlet on the left)

2.2 平均風(fēng)速沿高度分布

為了研究山區(qū)峽谷橋址處平均風(fēng)速沿高度的分布情況，圖14、圖15和圖16分別列出了主梁1/4跨、中跨和3/4跨處，從主梁下60 m到主梁上520 m的風(fēng)速剖面。從圖中可以看出，當(dāng)河道下游來流時(對應(yīng)的工況為4、工況5和工況6)，上述三個跨度的風(fēng)剖面都比較符合指數(shù)形式。這是因為下游地形相對海拔較低，地勢相對平坦，沒有突出的山峰或峭壁，河道也比較平直，因此整個地形對來流的阻擋作用很小，最終導(dǎo)致橋位處的平均風(fēng)速風(fēng)剖面形式比較符合指數(shù)形式。但是，當(dāng)河道上游來流時(對應(yīng)的工況為1、工況2和工況3)，上述三個跨度的風(fēng)剖面變化非常大，有些已經(jīng)完全無法用指數(shù)風(fēng)剖面形式表示。產(chǎn)生這種情況的原因是，河道上游地形十分復(fù)雜，并出現(xiàn)了河道轉(zhuǎn)折，在轉(zhuǎn)折處又存在懸崖，河谷、山谷和峭壁交錯出現(xiàn)，使來流發(fā)生翻轉(zhuǎn)、扭曲、匯聚、擠壓和越山加速等情況，如圖13所示。對于工況1和工況3，由于來流經(jīng)過較高的山體時發(fā)生了山頂阻擋現(xiàn)象，而主梁剛好位于山體背風(fēng)側(cè)，因此部分位置的平均風(fēng)剖面在低海拔處出現(xiàn)了減速情況。以工況1中主梁3/4跨處的平均風(fēng)剖面為例，從圖17顯示的主梁流線圖上可以清楚的看到，在主梁的3/4跨附近(圖中箭頭一側(cè))，來流受到河岸突出的山體阻擋而發(fā)生跨越，當(dāng)來流到達(dá)主梁時剛好處于山頂背風(fēng)側(cè)附近，因此風(fēng)速發(fā)生了明顯的減速作用。

圖14 主梁1/4跨處風(fēng)速沿高度變化Fig.14 Variation of wind speed with height at 1/4 span

隨著高度的增加，地形的影響因素也漸漸地變小，平均風(fēng)速總體也呈現(xiàn)出隨高度增加而增大的現(xiàn)象，并趨向于指數(shù)律分布形式，這也說明數(shù)值模擬的計算域設(shè)置合理，計算域頂部邊界對內(nèi)部流場的影響很小。

圖15 主梁跨中風(fēng)速沿高度變化Fig.15 Variation of wind speed with height at mid span

圖16 主梁3/4跨處風(fēng)速沿高度變化Fig.16 Variation of wind speed with height at 3/4 span

圖17 工況1的主梁流線圖(左側(cè)為風(fēng)速入口)Fig.17 Streamline of case 1 (inlet on the left)

2.3 主梁風(fēng)攻角和風(fēng)向角分布

風(fēng)攻角是影響主梁截面氣動力的重要參數(shù)，也是橋梁抗風(fēng)設(shè)計的重要依據(jù)。圖18為不同工況下主梁上的風(fēng)攻角分布情況?？傮w上看，橋梁主梁的前半段風(fēng)攻角較小，后半段風(fēng)攻角較大。這是因為前半段的海拔較低，地勢相對平緩，后半段的海拔較高且地勢起伏大，并且橋梁主梁距離地面相對較近，因此當(dāng)氣流經(jīng)過時會受到較為顯著的地形影響，產(chǎn)生較大的風(fēng)攻角。當(dāng)河道上游來流時，工況1、工況2和工況3的正負(fù)風(fēng)攻角相對較大，正攻角最大約+10°，負(fù)攻角最大約-9°，說明氣流經(jīng)過主梁時，會分別產(chǎn)生向下和向上的氣流。從圖19中工況3的主梁流線圖上看到，主梁流線有兩股匯聚而成。受上游山體分割，上半部分來流經(jīng)過河道到達(dá)主梁，受河道地勢的干擾，氣流產(chǎn)生向上的流動趨勢，因此產(chǎn)生了正攻角；下半部分來流越過上游山體到達(dá)主梁，下半段主梁剛好處在背風(fēng)坡，因此產(chǎn)生了負(fù)攻角。而下游來流時，工況4、工況5和工況6均會產(chǎn)生較大的正攻角，說明氣流在主梁處產(chǎn)生向上流動的趨勢。從地形上看，氣流從地勢低處流向高處，主梁處在迎風(fēng)坡，自然產(chǎn)生正風(fēng)攻角?？傊?，山區(qū)峽谷橋址處的主梁風(fēng)攻角變化非常復(fù)雜，局部地形對其有主導(dǎo)作用，因此在實際橋梁抗風(fēng)設(shè)計時，還要結(jié)合具體橋址處周圍的地形而確定，特別是當(dāng)橋梁位于較為陡峭的地形時。

風(fēng)向角也對橋梁安全有重要的影響，特別是橋梁建設(shè)階段。圖20列出了6個不同工況下的主梁風(fēng)向角分布情況。由于地形高差相對不大，雖然有山體對氣流產(chǎn)生阻擋作用，但距離橋位較遠(yuǎn)，氣流繞過山體到達(dá)主梁時方向趨向一致，因此導(dǎo)致主梁處氣流方向基本和來流方向一致，除了靠近右側(cè)陡峭山體部分外，主梁上的風(fēng)向角變化不是很大。因此，在該橋梁抗風(fēng)設(shè)計時，需重點關(guān)注主梁右半部分的風(fēng)向角影響，而左半部分按和來流方向一致處理即可。

圖18 主梁風(fēng)攻角分布Fig.18 Distribution of wind attack angle

圖19 工況3的主梁流線圖(左側(cè)為風(fēng)速入口)Fig.19 Streamline of case 3 (inlet on the left)

圖20 主梁風(fēng)向角分布Fig.20 Distribution of wind directional angle

2.4 風(fēng)速放大系數(shù)

為了研究該橋址處河道峽谷對氣流的加速作用，按式(4)定義了風(fēng)速放大系數(shù)。圖21為不同來流工況下，主梁上的水平風(fēng)速放大系數(shù)分布情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，工況1和工況6的風(fēng)速放大系數(shù)最大，其中最大值為1.303 2。其它工況的風(fēng)速放大系數(shù)也較大，其中工況2的風(fēng)速放大系數(shù)最小，在2.1節(jié)中分析了原因。由于該橋位處的河道較為平直，一定范圍內(nèi)河道幾乎沒有彎曲，同時地形起伏相對較緩和，海拔差距不是很大，所以不同工況下的風(fēng)速放大系數(shù)較為一致。受河道和兩岸山體的作用，氣流發(fā)生匯聚加速，在主梁處產(chǎn)生了較大的風(fēng)速放大系數(shù)。

圖21 主梁風(fēng)速放大系數(shù)分布Fig.21 Distribution of speed-up factor

為了對比說明本文提出的數(shù)值模擬方法的正確性，另外采用了規(guī)范中的經(jīng)驗關(guān)系式(5)計算橋址處的山谷效應(yīng)修正系數(shù)，其中假設(shè)大橋橋址“虛擬標(biāo)準(zhǔn)氣象站”的基本風(fēng)速為峽谷進(jìn)口風(fēng)速。由于該橋址河道較為規(guī)則，因此較適用經(jīng)驗公式計算峽谷效應(yīng)修正系數(shù)。

(5)

式中：H為峽谷深度，一般橋梁建于峽谷上口處，可取主梁橋面至峽谷下底面高度；B1為峽谷上口處寬度，一般為主梁橋面長度；B2為峽谷下底面寬度；κ為山谷效應(yīng)修正系數(shù)。

由于河道分為有水和無水兩種情況，而本文CFD數(shù)值模擬計算的是無水情況，因此下面計算河道無水情況。根據(jù)式(5)，其B1=680 m，B2=0，H=310 m，π=3.141 6，可得κ=1.286 4。CFD數(shù)值模擬得到的風(fēng)速放大系數(shù)最大值為1.303 2，可得與峽谷效應(yīng)修正系數(shù)κ=1.286 4的誤差僅為1.3%，在一定程度上說明了本文提出的數(shù)值模擬方法的合理性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

本文以某在建的山區(qū)峽谷大橋橋址處風(fēng)場為研究對象，提出了一種改進(jìn)的山區(qū)峽谷地形風(fēng)場數(shù)值模擬方法。該方法的計算域設(shè)計更為合理；地形邊緣過渡段較為平緩，氣流受到干擾較小，更符合實際流動情況；同時，利用“虛擬標(biāo)準(zhǔn)氣象站”法獲得了計算域入口風(fēng)速條件，使得計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。通過分析主梁不同位置上的橫橋向和順橋向風(fēng)速及其放大系數(shù)、風(fēng)攻角、風(fēng)向角和平均風(fēng)速剖面等風(fēng)場關(guān)鍵參數(shù)及其流動機(jī)理，得到了以下結(jié)論：

(1)本文采用的改進(jìn)的山區(qū)峽谷地形風(fēng)場特性CFD數(shù)值模擬方法，利用“虛擬標(biāo)準(zhǔn)氣象站”法計算橋址處基本風(fēng)速，并以此設(shè)計計算域入口指數(shù)風(fēng)速剖面，同時設(shè)置地形過渡段等改進(jìn)措施，是正確的、合理的。

(2)采用“虛擬標(biāo)準(zhǔn)氣象站”法計算得到的橋址處基本風(fēng)速為24.75 m/s。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，主梁上的橫橋向風(fēng)速沿橋跨變化較大，順橋向風(fēng)速沿橋跨變化較?。皇苌降氐匦蔚挠绊?，風(fēng)剖面已經(jīng)不符合規(guī)范中規(guī)定的指數(shù)風(fēng)剖面；該橋址處的主梁風(fēng)攻角在-9°～+10°。

(3)數(shù)值模擬得到的主梁上的風(fēng)速放大系數(shù)最大為1.303 2，同時根據(jù)規(guī)范中的經(jīng)驗公式得到的山谷效應(yīng)修正系數(shù)為1.286 4，兩者吻合較好，誤差僅為1.3%。