CFD 技術(shù)在橋梁水動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

魏 凱，張必科，胡楷宇，張明金

（西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031）

隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，近年來，我國建設(shè)了大量跨越江、海橋梁工程。東海大橋、港珠澳大橋、杭州灣跨海大橋、滬蘇通長江大橋相繼建成通車。與傳統(tǒng)陸地橋梁相比，上述橋梁長期承受水的動(dòng)力作用，橋梁水動(dòng)力學(xué)成為影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

橋梁水動(dòng)力學(xué)是水力學(xué)的一個(gè)重要分支，主要研究水流作用以及波浪作用對(duì)橋梁的影響機(jī)理。隨著專家學(xué)者對(duì)橋梁工程研究過程的深化，橋梁水動(dòng)力學(xué)已成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)課題[1]。蘭雅梅等[2]對(duì)橋梁樁柱承臺(tái)水動(dòng)力模型的研究；張家瑞等[3]研究并提出了深水橋墩波浪動(dòng)力響應(yīng)概率模型；魏凱等[4]通過試驗(yàn)研究了跨海橋梁高樁承臺(tái)波浪沖擊荷載；王坤[5]研究了海洋深水環(huán)境下橋墩基礎(chǔ)沖刷特性；楊熠琳[6]則研究了橋梁群樁基礎(chǔ)的局部沖刷機(jī)理。因此，未來的橋梁工程科研和設(shè)計(jì)人員應(yīng)該具備相應(yīng)的橋梁水動(dòng)力學(xué)知識(shí)，以適應(yīng)行業(yè)未來的發(fā)展。

然而，橋梁水動(dòng)力學(xué)的綜合性較強(qiáng)，主要涉及流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、橋梁工程等相關(guān)課程。值得注意的是，流體力學(xué)的理論部分涉及不少偏微分方程組，比如連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程等。隨著考慮因素的增加，上述非線性偏微分方程組計(jì)算得出相應(yīng)解析解較為困難[7]。在教學(xué)方面，該課程具有抽象化特征，需要學(xué)生具備較高的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。為提高學(xué)生對(duì)該課程的興趣，教師們也在教學(xué)實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，豐富教學(xué)方法，將具體的水流和波浪實(shí)驗(yàn)引入課堂。由于具體實(shí)驗(yàn)所需的試驗(yàn)設(shè)備較為復(fù)雜、試驗(yàn)周期較長等原因，不能讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)深刻理解該學(xué)科知識(shí)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)不斷完善，國內(nèi)各大高校相繼將CFD 技術(shù)引入課程教學(xué)環(huán)節(jié)。比如，楊戈?duì)柕萚8]將CFD 仿真技術(shù)引入到生物力學(xué)課程教學(xué)中；王東屏等[9]實(shí)現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)與流體力學(xué)教學(xué)的結(jié)合；楊帆等[10]探究了CFD 技術(shù)在水泵及水泵站教學(xué)中的應(yīng)用；許萬軍等[11]進(jìn)行了在汽輪機(jī)原理課程教學(xué)中引入CFD 技術(shù)的教學(xué)案例分析。以上研究成果表明，CFD 技術(shù)同樣可以較好地促進(jìn)流體力學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)實(shí)踐過程。為此，作者將CFD 技術(shù)引入橋梁水動(dòng)力學(xué)的教學(xué)中，旨在提高橋梁水動(dòng)力學(xué)課程的教學(xué)水平，開拓學(xué)生的視野。

一 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)簡介

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是一門基于流體力學(xué)和數(shù)值模擬仿真技術(shù)的交叉學(xué)科。自20 世紀(jì)60 年代以來，計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)值分析和理論流體力學(xué)的結(jié)合。與傳統(tǒng)物理模型試驗(yàn)相比，CFD 技術(shù)具有不少優(yōu)點(diǎn)，如計(jì)算成本低、計(jì)算速度快、計(jì)算模型不受限制等。近年來，該技術(shù)受到不少科研人員的關(guān)注。當(dāng)前，不少商業(yè)軟件均具備了CFD 模塊，如ANSYS-Fluent、ANSYS-CFX、STAR-CD、OpenFOAM 等。其中，F(xiàn)luent、OpenFOAM 在各大高校的教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)用較廣。目前，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于土木工程、船舶水利、能源動(dòng)力、汽車工程和航空航天等諸多領(lǐng)域，尤其在流體計(jì)算和傳熱等方面展現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢。眾所周知，流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是以三大守恒定律為基礎(chǔ)，即質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。這些守恒定律均由不同非線性程度的數(shù)學(xué)方程組進(jìn)行表述，傳統(tǒng)的求解方法很難解決一些復(fù)雜問題，而計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算來分析上述方程組。同時(shí)，利用豐富的圖像處理工具可以清晰地看出相關(guān)規(guī)律，進(jìn)而達(dá)到研究流體運(yùn)動(dòng)的目的。

二 CFD 技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用場景

（一）橋梁下部結(jié)構(gòu)波、流作用

近幾年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，海上交通需求不斷增加，國內(nèi)建成許多跨海大橋。不同于陸地上的橋梁，海上橋梁需要面臨更加復(fù)雜的海洋情況，尤其是在波浪和水流的共同作用下，使得橋梁結(jié)構(gòu)受力分析更加困難，給橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和防災(zāi)減災(zāi)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[7]。因此，理解并掌握橋梁波、流作用機(jī)理和計(jì)算方法是橋梁水動(dòng)力學(xué)課程重要教學(xué)內(nèi)容之一。

實(shí)驗(yàn)室中可采用試驗(yàn)設(shè)備測量得到橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所受波浪作用的力，卻很難生動(dòng)地向?qū)W生展示波浪與基礎(chǔ)相互作用過程中的詳細(xì)流場信息。教師僅通過文字描述無法準(zhǔn)確地向?qū)W生傳達(dá)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，也難以向?qū)W生傳授波浪作用下橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力的原理。為了讓學(xué)生更好地了解波、流作用于橋梁基礎(chǔ)的整個(gè)受力過程，可利用CFD 軟件對(duì)波浪或水流作用下的橋墩進(jìn)行仿真模擬，將作用的整個(gè)過程通過圖像或視頻呈現(xiàn)于學(xué)生面前。下文列舉一實(shí)例。

如在CFD 軟件FLOW-3D 中建立一個(gè)具有一定長、寬、高的數(shù)值水槽，將橋墩模型設(shè)置在水槽中央，將水槽左側(cè)入口邊界定義為造波邊界，學(xué)生可通過在此邊界定義相關(guān)的環(huán)境參數(shù)和波浪參數(shù)，生成波浪作用于橋墩基礎(chǔ)，經(jīng)過軟件計(jì)算便可以得到對(duì)應(yīng)的模擬仿真數(shù)據(jù)。將水槽右側(cè)定義為出流邊界，為防止流域的出流邊界產(chǎn)生對(duì)波浪的反射，影響橋墩周圍的流場，應(yīng)在流域出水口處設(shè)置阻尼層以減弱反射波的影響。同理，需將水槽其他邊界也進(jìn)行設(shè)置。水槽網(wǎng)格劃分也是CFD 最為核心的步驟之一，在橋墩附近合理加密網(wǎng)格可以得到更加精確的分析數(shù)據(jù)。此外，還需進(jìn)行初始條件和輸出數(shù)據(jù)等設(shè)置。在做好準(zhǔn)備工作后，即可使用CFD 軟件進(jìn)行仿真，軟件采用有限差分法將流體力學(xué)中的連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程等控制方程進(jìn)行離散。利用CFD 軟件計(jì)算離散化的控制方程，進(jìn)而得到整個(gè)流場詳細(xì)信息的近似解，并將分析后的結(jié)果進(jìn)行可視化的處理。采用CFD 軟件模擬水流和波浪作用于橋墩模型的可視化流場信息圖像如圖1 所示。學(xué)生可以通過具有豐富色彩的受力圖以及流場的動(dòng)畫，再結(jié)合教師課程所傳授的理論知識(shí)，對(duì)橋梁水動(dòng)力學(xué)課程的原理有更深刻的理解和掌握。

圖1 橋墩波、流作用CFD 技術(shù)可視化信息圖

（二）水流對(duì)基礎(chǔ)的沖刷作用

橋梁基礎(chǔ)沖刷是指在河道中橋墩或者橋臺(tái)阻礙水流運(yùn)動(dòng)，橋梁基礎(chǔ)附近的流場會(huì)發(fā)生變化而帶走部分泥沙的現(xiàn)象?；A(chǔ)沖刷是橋梁破壞的重要因素之一[12]。易仁彥[13]收集了2000—2014 年期間，國內(nèi)橋梁在設(shè)計(jì)年限內(nèi)發(fā)生坍塌事故的詳細(xì)信息，在106 起橋梁垮塌事故中，由基礎(chǔ)沖刷導(dǎo)致的橋梁破壞事故超過30%。在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的東部沿海地區(qū)，交通量需求較大，建設(shè)有眾多跨越河流的橋梁，但由于國內(nèi)多數(shù)河流中含沙量較大，東部多為平原地勢，水流平緩，泥沙容易堆積為寬廣的覆蓋層。在夏季豐水期，水流增大，橋梁基礎(chǔ)沖刷增強(qiáng)，對(duì)橋梁安全極為不利。所以在橋梁水動(dòng)力課程中，橋梁基礎(chǔ)沖刷是課程教學(xué)的另一項(xiàng)重要內(nèi)容。

傳統(tǒng)教學(xué)中，教師在講授到水流造成基礎(chǔ)沖刷的原因時(shí)，往往使用文字對(duì)基礎(chǔ)附近流場的4 類情況進(jìn)行描述，如圖2 所示，分別為墩前雍水、馬蹄形漩渦、墩身處向下射流和尾跡渦流[14]。此時(shí)學(xué)生往往僅停留在水流作用于基礎(chǔ)帶走泥沙的層面，并不能深入地理解流場中水流運(yùn)動(dòng)詳細(xì)的信息。在遇到不同工況或者不同外形橋墩的情況下，學(xué)生僅依靠這個(gè)層面的知識(shí)，并不能獨(dú)立思考解決多變環(huán)境下的實(shí)際問題，阻礙創(chuàng)新性思考。面對(duì)這些問題，可以采用CFD 技術(shù)對(duì)橋梁基礎(chǔ)附近流域進(jìn)行數(shù)值模擬，分析得到水流運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)信息，用生動(dòng)的畫面向?qū)W生展示，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的印象。也可以在課堂中采取分組的方式，讓學(xué)生上手操作CFD 軟件，對(duì)不同形狀橋梁基礎(chǔ)的水流作用進(jìn)行模擬，分析得到?jīng)_刷情況以及流域信息。圖3 為課堂上所演示的橋梁臺(tái)階型沉井基礎(chǔ)附近的水流及渦量情況，從圖中流域分析可得水流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)符合實(shí)際情況。CFD 三維仿真技術(shù)直觀地展示了流域內(nèi)部水流的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)水流沖刷基礎(chǔ)有了清晰的認(rèn)識(shí)，可以讓學(xué)生在實(shí)踐探索中掌握沖刷的基礎(chǔ)理論。

圖2 基礎(chǔ)附近流場及沖刷示意圖

圖3 基礎(chǔ)沖刷CFD 技術(shù)可視化信息圖

三 CFD 技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀

自改革開放以來，隨著“一帶一路”“粵港澳大灣區(qū)”等建設(shè)，中國沿海地區(qū)和江河流域地區(qū)對(duì)陸路運(yùn)輸需求不斷增長，中國橋梁的建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展的新階段[1]。尤其是在港珠澳大橋和楊泗港大橋建成通車之后，國內(nèi)對(duì)深水大跨徑橋梁的研究進(jìn)入了新的篇章。對(duì)于國內(nèi)大跨徑橋梁的未來發(fā)展，橋梁水動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)顯得尤為重要，它不僅有利于學(xué)生對(duì)橋梁研究前沿的了解，而且為后續(xù)橋梁水動(dòng)力學(xué)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。目前，橋梁水動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)正處于發(fā)展的初期階段，對(duì)于CFD 軟件在教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用，仍存在著些許問題。

（一）CFD 軟件種類繁多

CFD 技術(shù)能夠較為準(zhǔn)確地模擬水動(dòng)力作用下橋梁的受力情況，逼真地展示橋梁基礎(chǔ)流域的實(shí)驗(yàn)畫面，增加課程教學(xué)中的趣味性，引發(fā)學(xué)生積極思考，提高學(xué)生對(duì)橋梁水動(dòng)力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。但是，目前市面上常用的CFD 軟件種類繁多，選擇什么類型的CFD 軟件應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，是值得考慮的問題之一。目前，CFD 軟件根據(jù)軟件功能可分為通用軟件和專業(yè)軟件；根據(jù)軟件在CFD 過程中的位置可分為前處理軟件和后處理軟件；根據(jù)源代碼是否公開可分為商業(yè)軟件和開源軟件，較常使用的商業(yè)軟件如ANSYS-Fluent、ANSYS-CFX、FLOW-3D、STAR-CCM+等，開源軟件如Open FOAM、REEF3D等，各有各的特點(diǎn)。Fluent 軟件提供了豐富的湍流模型和多相流模型，能與ANSYS 平臺(tái)其他仿真模塊進(jìn)行多物理場仿真；Open FOAM 軟件中，用戶可以自己進(jìn)行編譯也可以對(duì)源代碼進(jìn)行修改形成自己的計(jì)算軟件；STAR-CCM+軟件不僅可以進(jìn)行熱、流體分析，還擁有結(jié)構(gòu)應(yīng)力、噪聲等其他物理場的分析功能。

（二）掌握CFD 分析的難度較大

橋梁水動(dòng)力學(xué)是基于流體力學(xué)發(fā)展而來的，其課程教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容主要沿襲傳統(tǒng)的流體力學(xué)教學(xué)模式。若引進(jìn)CFD 的授課教學(xué)，由于受限于課時(shí)，教師無法在短時(shí)間內(nèi)為學(xué)生進(jìn)行CFD 全面的講解。由于CFD 的使用要求初學(xué)者具備一定的計(jì)算流體力學(xué)的理論知識(shí)，且各軟件的上手難度并不小，學(xué)生在私底下進(jìn)行CFD 軟件的自我探索過程中可能會(huì)遇到各種各樣的難題，無論在前處理或者后處理模塊，都可能遇到問題，這可能使得教學(xué)適得其反，學(xué)生失去了學(xué)習(xí)的興趣。

（三）理論教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)

由于這門課程處于發(fā)展初期，當(dāng)前可供使用的教學(xué)資源并不充足。各大高校教學(xué)條件存在差異，沒有充足的科研教學(xué)經(jīng)費(fèi)，試驗(yàn)設(shè)備得不到及時(shí)升級(jí)，教學(xué)的硬件設(shè)施已經(jīng)無法滿足教學(xué)任務(wù)的需求。在教學(xué)過程中，關(guān)于水流對(duì)橋梁基礎(chǔ)沖刷的過程，只能通過文字和圖片進(jìn)行描述，學(xué)生無法動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解過于抽象。由于課堂教學(xué)更側(cè)重于理論學(xué)習(xí)，實(shí)踐部分相對(duì)較弱，理論和實(shí)踐不能很好地結(jié)合，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)興致不高，影響學(xué)習(xí)效果，這種問題普遍存在橋梁水動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)中。

四 對(duì)策與展望

通過對(duì)以上三點(diǎn)問題進(jìn)行分析，可采取如下教學(xué)對(duì)策。

根據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo)，選擇不同的CFD 軟件，如：若僅展示像第二節(jié)提及的仿真應(yīng)用，F(xiàn)LOW-3D、Fluent軟件可滿足教學(xué)需求；若欲展示海洋中帶有夾角的波流作用，Open FOAM、STAR-CCM+等軟件是最優(yōu)之選；若更關(guān)注于學(xué)生的實(shí)踐操作感受，F(xiàn)LOW-3D 軟件相較于其他CFD 軟件上手難度較小，在實(shí)踐教學(xué)選擇上更勝一籌。

針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)CFD 的問題，可由教師根據(jù)主要教學(xué)算例，制作CFD 軟件使用視頻，通過生動(dòng)有趣的軟件操作教學(xué)過程，用配音的方式將一些基礎(chǔ)理論知識(shí)在軟件的操作中對(duì)學(xué)生進(jìn)行傳授，并通過后處理生成動(dòng)畫豐富教學(xué)內(nèi)容，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

增加實(shí)踐教學(xué)課在課程教學(xué)中的比重，用CFD 軟件實(shí)踐教學(xué)替代復(fù)雜的物理試驗(yàn)實(shí)踐，將CFD 技術(shù)與課程教學(xué)相結(jié)合，授課過程中教師進(jìn)行指導(dǎo)，學(xué)生一邊進(jìn)行CFD 的操作使用，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的獨(dú)自分析解決問題的能力，也提升了學(xué)習(xí)的興趣，有利于教學(xué)和科研共同發(fā)展。

通過結(jié)合波、流與基礎(chǔ)相互作用以及水流對(duì)基礎(chǔ)沖刷作用的教學(xué)應(yīng)用場景，總結(jié)橋梁水動(dòng)力課程CFD 技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的現(xiàn)狀，分析得出，CFD 技術(shù)與橋梁水動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，不僅可以提高教學(xué)效率，而且可以增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立思考能力。同時(shí)，不斷豐富橋梁水動(dòng)力學(xué)教學(xué)方法，在符合該課程建設(shè)未來發(fā)展的道路上前進(jìn)，為國家培養(yǎng)更多橋梁領(lǐng)域的高水平人才。