不同护栏透风率下桥面雪飘移的数值模拟_张天歌.pdf

文章编号：1000-4750(2023)03-0036-08不同护栏透风率下桥面雪飘移的数值模拟张天歌，周晅毅，顾明(同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092)摘要：采用计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)方法，对典型桥梁断面上的雪飘移进行了数值模拟，得到桥面上风致积雪的重分布。为验证该文数值模拟方法的正确性，以平屋面风吹雪为案例，将该文数值模拟方法得到的结果与风洞试验结果进行了对比。在桥面雪飘移的数值模拟过程中，考虑了桥梁护栏的影响，对比分析了不同护栏透风率下桥面风致积雪重分布形式。研究发现：当护栏透风率大于 50%时，桥面上不会出现显著的积雪沉积；当护栏透风率小于 50%时，桥面护栏附近出现了较显著的积雪沉积，且在迎风端护栏的背风侧沉积最大。为减小桥面风致积雪堆积对交通的不利影响，建议在桥梁设计时采用高透风率的护栏。关键词：计算流体动力学(CFD)；雪飘移；积雪重分布；桥梁结构；护栏中图分类号：TU312+.1文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0733CFDSIMULATIONOFSNOWDRIFTINGAROUNDBRIDGEDECKWITHDIFFERENTBARRIERPOROSITIESZHANGTian-ge,ZHOUXuan-yi,GUMing(StateKeyLaboratoryofDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Snowdriftingaroundatypicalbridgedeckwassimulatedusingcomputationalfluiddynamics(CFD)methodtoattainthesnowredistributiononthebridgedeck.Toverifytheaccuracyofthenumericalmodel,snowdriftingaroundaflatroofwasfirstlysimulated.Theresultofthenumericalsimulationwascomparedwiththatofwindtunneltests.Inthesimulationofsnowdriftingaroundthebridgedeck,thebarriersonabridgedeckwereconsideredandsnowredistributionsonthebridgedeckwithdifferentbarrierporositieswereanalyzed.Itisshownthatwhenthebarrierporosityisabove50%,snowcouldnotbeaccumulatedheavilyonthebridgedeck.Whenthebarrierporosityisbelow50%,snowdriftwouldbeaccumulatednexttothebarriers,andsnowisaccumulatedsignificantlybehindthewindwardbarrier.Therefore,tomitigatetheeffectofwind-inducedsnowaccumulationonabridgedeckontraffic,itissuggestedthatthebarrierwithhighporosityshouldbeusedinthedesignofthebridge.Keywords:computationalfluiddynamics(CFD);snowdrifting;snowredistribution;bridge;barrier在我国北部的多雪地区，桥面积雪会导致车辆难以通行，致使道路受阻；由风引起的桥面不均匀分布雪荷载可能会加剧该交通问题。为减小桥面风致积雪对交通的不利影响，需要对桥面雪飘移的机理进行探究，合理地预测桥面积雪的重分布形式，进而采取相应的措施。由于桥梁附近的流场受护栏的影响较大，在探究桥面雪飘移时需要考虑护栏的影响。雪飘移问题的研究方法主要有现场实测1、风洞试验2和数值模拟3。近年来，随着计算机技术的发展，基于计算流体动力学(CFD)的数值模拟方法逐渐兴起，成为工程领域中研究雪飘移问题的有效手段4，并广泛用于地面或建筑屋面雪飘移的模拟58。TOMINAGA 等7对建筑周边雪飘移的 CFD 模型进行了概述，并提出了一个模拟雪飘移的新模型。ZHOU 等对平屋面8、双坡屋面9上收稿日期：2021-09-23；修改日期：2021-11-12基金项目：国家自然科学基金项目(52078380)；科技部国家重点实验室基金项目(SLDRCE19-B-14)通讯作者：周晅毅(1975)，男，湖南人，教授，博士，博导，主要从事结构风雪荷载及风环境研究(E-mail:).作者简介：张天歌(1995)，男，山东人，博士生，主要从事结构风工程研究(E-mail:);顾明(1957)，男，江苏人，教授，博士，博导，主要从事结构风工程研究(E-mail:).第40卷第3期Vol.40No.3工程力学2023 年3月Mar.2023ENGINEERINGMECHANICS36的雪飘移进行了模拟，预测了屋面上的风致积雪重分布。ZHU 等10对雪飘移的准定常模拟方法进行了改进，并将其用于高低屋面雪飘移的研究。周晅毅等11采用拉格朗日方法，对立方体周边的雪飘移进行了模拟，并考虑了颗粒运动后的质量浓度对雪层表面摩擦速度的修正。MA 等12结合现场实测和数值模拟，对路堤周围风致积雪堆积进行了预测。然而，当前针对桥面雪飘移问题的研究依然较少。DUAN 等13采用数值模拟方法对桥面风致积雪重分布进行了预测，但其主要关注桥面的动力特性，没有对不同护栏下桥面雪飘移的特点进行探讨。本文基于 CFD 方法，探究不同护栏透风率下桥面雪飘移的特点。首先通过一个平屋面案例，对本文数值模拟方法的正确性进行了验证。随后采用该方法进行桥面雪飘移的数值模拟。桥面上共设置 4 道防撞栏，在模拟的过程中改变护栏的透风率(0%100%)，对比不同护栏透风率下桥面附近流场形式、摩擦速度、桥面雪浓度和桥面风致积雪重分布的异同，基于模拟结果对实际工程中桥梁护栏的设计给出建议。1数值模拟方法1.1数值模拟方案风致积雪运动属于两相流运动，本文采用定常 的 欧 拉-欧 拉 方 法 进 行 模 拟。空 气 相 采 用Reynolds 时间平均方法，湍流模型采用 realizablek-模型；雪相采用欧拉方法，通过附加一个雪相输运方程来模拟。模拟时假设空气相和雪相之间为单向耦合的，即雪在风的作用下发生飘移，而雪的飘移对风场不产生影响14。1.2雪相控制方程根据雪颗粒运动高度的不同，可以将雪的运动形式划分为：蠕移(小于0.01m)、跃移(0.01m0.1m)和悬移(0.1m100m)，在模拟时通常将蠕移包含在跃移中15。在悬移运动时，雪颗粒会因重力作用产生向下的沉降；而在跃移运动时，由于雪颗粒会在雪表面发生回弹，重力沉降的作用会被减弱。雪相的控制方程为16：t+(uj)xj=xj(tSctxj)+x3(wf)(1)式中：为雪浓度；t为湍流运动粘度；Sct为湍流施密特数；wf为沉降速度，在跃移层(wf,sal)和悬移层(wf,sus)取值不同。等式左侧分别为瞬态项和对流项，等式右侧分别为扩散项和考虑重力沉降的附加对流项。由于本文进行定常的数值模拟，因此不考虑雪随时间的瞬态变化(即瞬态项为0)，只考虑雪的对流和扩散。1.3雪的侵蚀和沉积雪表面的摩擦速度是衡量雪侵蚀和沉积的关键因素，其表示雪表面所受剪切力的大小，定义为：u=0/a(2)式中：0为风作用下雪表面的剪切力；a为空气的密度。雪的侵蚀和沉积通量可以采用 NAAIM 等17提出的经验公式进行计算：qero=Aero(u2u2t),u ut(3)qacc=wfu2tu2u2t,u ut(4)ut式中：Aero=0.0007 为经验系数；为阈值摩擦速度；下标 ero 表示侵蚀；acc 表示沉积。可以看出，当雪表面的摩擦速度大于阈值摩擦速度时，雪表面会发生侵蚀，反之则产生沉积。基于雪侵蚀和沉积通量的计算结果，可以得到单位时间积雪高度的变化量：h=(qero+qacc)/b(5)式中，b为雪的堆积密度。2数值模型2.1研究对象本文采用一个典型的分体箱梁断面作为研究对象18，桥面宽度(L)为 49.0m，断面高度(H)为4.0m，桥面初始积雪厚度为 0.3m，桥面两侧和中部共设置 4 道防撞栏(以下简称“护栏”)，护栏的高度为 1.6m(高出雪面部分)，根据护栏位置将桥面划分为 5 个区域，如图 1 所示。护栏的透风率从 100%(无护栏)到 0%(不透风护栏)变化，变化间隔为 12.5%，根据护栏透风率的大小可以将其分为：无护栏、高透风率护栏和低透风率护栏三种类型，见表 1。2.2数值模拟计算域和网格划分由于桥梁轴向长度大，断面形状沿轴向基本保持不变，因此对桥梁断面建立二维模型。利用ANSYS/FLUENT 软件对桥面附近的风场进行模拟；将雪相的输运方程作为额外的方程对软件进工程力学37行二次开发，从而实现雪飘移的模拟。图 2 为桥面数值模拟的计算域。网格方案采用渐变的结构化网格，网格总数为 7.0 万，在桥面附近对网格进行了加密处理。图 3 为各种护栏透风率工况下桥面附近的网格，桥面首层网格的高度为 0.05m，能够对跃移层和悬移层进行区分。经检验，在该网格方案下，计算结果具有较好的网格无关性。入口出口40 H8 L10 L加密区域(3 L10 H)图2数值模拟计算域Fig.2Computationaldomainofnumericalsimulation首层网格 度:0.05 m初始雪深:0.3 m透风率:0%12.5%25%37.5%50%62.5%75.5%87.5%100%透风率:护栏 度:1.6 m图3桥面附近网格Fig.3Gridaroundbridgedeck2.3数值模拟参数在数值模拟的过程中，需要对模拟参数进行合理的选取9。我国北方天气干燥，雪颗粒易在风的作用下发生飘移，且在桥面上发生飘移的雪大多是新降雪，于是本文考虑干燥、新降雪的情况，雪的堆积密度取 70kg/m31921，阈值摩擦速度取0.07m/s2223。湍流施密特数取 1.015。悬移层受重力沉降的影响较大，其沉降速度取 0.5m/s15，而跃移层受重力沉降的影响相对较小，其沉降速度取 0.15m/s。初始积雪深度取 30cm24。数值模拟的参数汇总见表 2。表2雪飘移的数值模拟参数汇总Table2Parametersinnumericalsimulationofsnowdrifting参数数值雪的堆积密度/(kg/m3)70雪表面的阈值摩擦速度/(m/s)0.07湍流施密特数1.0雪的沉降速度(悬移层)/(m/s)0.5雪的沉降速度(跃移层)/(m/s)0.15初始积雪深度/cm302.4边界条件设置来流风速在桥梁高度方向上的变化不显著，因此在速度入口采用均匀的风剖面。根据气象资料，对我国北部某地区冬季风速数据进行广义极值分布(GEV)拟合，如图 4 所示，得到具有 95%保证率的估计风速：8.5m/s。于是，在本文的数值模拟中，取入口处的风速为 8.5m/s，入口处的湍动能 k 和湍流耗散率 用下式计算25：k=32(uI)2(6)=aCk2(t)1(7)式中：I 为湍流强度，本文取 0.12；C=0.09 为常数；为湍流动力粘度；t/为湍流粘度比。速度出口边界设置为自由出流边界，上下边界设置为对称边界，雪表面采用标准壁面函数。1251258958351690835895275护栏1护栏2护栏3护栏4区域1区域2区域3区域4积雪表面区域530160H=400桥面宽度L=490012