集裝箱起重機(jī)風(fēng)場數(shù)值模擬中湍流模型研究

劉立成, 趙章焰, 林偉華, 溫夢珂, 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》(簡稱《規(guī)范》)來確定。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。

針對上述問題,風(fēng)洞試驗(yàn)作為風(fēng)場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)洞測力試驗(yàn)分析了風(fēng)向角、臂架俯仰角度、地貌對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、成本高,因此探究一種能夠真實(shí)地模擬岸橋工作風(fēng)場環(huán)境的新方法來替代風(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)分析了車輛存在對橋梁空氣流動的影響,并通過風(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CFD技術(shù)分析了周圍建筑物對目標(biāo)建筑物周圍風(fēng)場的影響,表明CFD技術(shù)可用于預(yù)測城市配置中建筑物周圍的風(fēng)場特性;文獻(xiàn)[9]采用15種湍流模型分別對建筑室外的風(fēng)場環(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種湍流模型對汽車風(fēng)洞內(nèi)流場進(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湍流模型對造船門式起重機(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)對岸橋風(fēng)場進(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模擬脈動風(fēng)載荷,并結(jié)合有限元軟件分析了脈動風(fēng)作用下的岸橋振動情況,提出了減小岸橋風(fēng)激振動的措施;文獻(xiàn)[15]運(yùn)用ADINA軟件對門座起重機(jī)進(jìn)行數(shù)值風(fēng)場分析,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,難以對數(shù)值計(jì)算方法的可信度做出有效評估;② 由于缺乏對湍流模型的性能評估,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)展開數(shù)值模擬研究,結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對各湍流模型的適用性進(jìn)行分析,通過這些研究為集裝箱起重機(jī)風(fēng)場數(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)動黏度。(1)式為連續(xù)性方程,(2)式為動量方程(N-S方程)。

本文選取的5種湍流模型均采用雷諾平均法對N-S方程進(jìn)行求解。Standardk-ε模型選用湍動能k和湍動能耗散率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)域等處的流動各向異性,因此人們對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、流動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,對模型進(jìn)行了必要的簡化,省略了一些對結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷影響較小的結(jié)構(gòu)部件,并對岸橋的各構(gòu)件連接部位以及過渡邊角進(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Ρ热鐖D1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;外部流場域除底面外全部采用對稱邊界條件來反映流動中的滑移壁面;岸橋的壁面以及流場域底面采用無滑移的壁面邊界條件;內(nèi)外流場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,而對遠(yuǎn)離岸橋表面的流場域適當(dāng)加大網(wǎng)格尺度,以降低對計(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 岸橋的流場域形狀及網(wǎng)格

為排除網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算結(jié)果的影響,需對其進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn),本文采用4套大小不同的網(wǎng)格對流場域進(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)作為檢測指標(biāo)。整機(jī)風(fēng)力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表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,其中編號對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量見表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)基本無變化,計(jì)算結(jié)果展現(xiàn)網(wǎng)格無關(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)對比,本文在風(fēng)軸坐標(biāo)系Oxsyszs中對岸橋的整機(jī)風(fēng)載荷進(jìn)行監(jiān)測,并對整機(jī)的風(fēng)載荷進(jìn)行無量綱化處理,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為無因次特征參數(shù),取S=0.1LH=0.118 7 m2,L為岸橋特征長度,取模型最大長度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)間的相對誤差對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行評判,具體計(jì)算公式為:

(6)

其中,η為順風(fēng)方向的相對誤差;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)場和梯度風(fēng)場中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)行對比,其風(fēng)力系數(shù)對比結(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°呈對稱或反對稱分布,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)行了一定的簡化,造成其迎風(fēng)面積減少,從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏?。欢谔荻蕊L(fēng)場中,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)場風(fēng)力系數(shù)對比

圖7 梯度風(fēng)場風(fēng)力系數(shù)對比

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。

通過數(shù)值模擬以及風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，風(fēng)對岸橋產(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)行了一些簡化,因此可以認(rèn)為在均勻風(fēng)場中5種湍流模型的適用性較好。

在梯度風(fēng)場中,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)好于對應(yīng)方向上的風(fēng)力系數(shù)。

圖8 均勻風(fēng)場風(fēng)力矩系數(shù)對比

圖9 梯度風(fēng)場風(fēng)力矩系數(shù)對比

通過以上綜合分析可知,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)場分析中具有一定的可行性。

對數(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)果見表2所列。由表2可知,5種湍流模型在岸橋的風(fēng)場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)場和梯度風(fēng)場中的計(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?。欢鳶tandardk-ε模型的計(jì)算結(jié)果對風(fēng)向角的變化比較敏感,誤差的變化范圍較大,特別是對梯度風(fēng)場的模擬較差；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受邊界層的影響,導(dǎo)致該區(qū)域的流體流動比較復(fù)雜,在梯度風(fēng)場中風(fēng)速隨高度的變化比較明顯,使得流體在岸橋附近的流動更為復(fù)雜,而Standardk-ε模型主要適用于模擬完全湍流的過程,難以準(zhǔn)確反映邊界層內(nèi)以及復(fù)雜區(qū)域的流動,從而導(dǎo)致Standardk-ε模型對梯度風(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,更能有效地對岸橋不同風(fēng)場環(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)算過程中的收斂性存在差異。在數(shù)值模擬過程中,為檢驗(yàn)5種湍流模型的收斂性,對90°風(fēng)向角下數(shù)值模擬過程中順風(fēng)方向風(fēng)力系數(shù)的迭代情況進(jìn)行監(jiān)測。

在均勻風(fēng)場數(shù)值模擬過程中，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)開始收斂,而且收斂的結(jié)果波動性相比于其他3種模型大,但計(jì)算結(jié)果的波動范圍均在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)場中,其計(jì)算精度比較高。從整體計(jì)算情況來看,RNGk-ε模型更加適合岸橋的風(fēng)場模擬,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)果具有一定的波動性。

(3) 通過數(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)過程中應(yīng)注意此方向上風(fēng)載荷對岸橋結(jié)構(gòu)的影響。