隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn),高速鐵路逐漸由內(nèi)陸延伸至海岸地區(qū)。復(fù)雜的海洋環(huán)境常常出現(xiàn)狂風(fēng)、巨浪甚至海嘯,對(duì)橋梁和列車運(yùn)營安全產(chǎn)生巨大威脅。隨著列車高速化和輕型化,單風(fēng)或者單浪研究難以全面反映列車-橋梁結(jié)構(gòu)所受的復(fù)雜海洋環(huán)境荷載,風(fēng)-浪聯(lián)合作用對(duì)跨海高速鐵路橋梁及行車安全的影響越來越大,成為影響跨海高速鐵路橋梁運(yùn)營安全的控制性因素。本文通過數(shù)值模擬方法研究風(fēng)-浪聯(lián)合作用下高速列車-橋梁結(jié)構(gòu)繞流特性,揭示不同流場環(huán)境狀態(tài)對(duì)列車-橋梁系統(tǒng)繞流場特性影響規(guī)律,為進(jìn)一步風(fēng)-浪聯(lián)合作用高速鐵路橋梁行車安全性和控制方法的研究提供基礎(chǔ)。本文主要研究內(nèi)容如下:首先基于Fluent軟件平臺(tái),采用邊界造波法、VOF捕捉自由液面以及阻力消波技術(shù)建立二維和三維數(shù)值波浪水槽,完成穩(wěn)定二階Stokes波浪模擬,并通過對(duì)波浪時(shí)程、空間波形以及水質(zhì)點(diǎn)速度等參量與理論波浪參數(shù)對(duì)比驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。在上述數(shù)值水槽基礎(chǔ)上,對(duì)空氣相設(shè)置的水平風(fēng)速,實(shí)現(xiàn)了模擬穩(wěn)定風(fēng)-浪聯(lián)合作用場,通過波浪參數(shù)以及風(fēng)場參數(shù)驗(yàn)證了數(shù)值水槽中風(fēng)-浪聯(lián)合作用場可行性。隨后通過開展了標(biāo)準(zhǔn)方柱、圓角方柱、雙方柱以及經(jīng)典近流線型箱梁橋數(shù)值模擬,并與... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：85 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

經(jīng)典近流線型箱梁橋主梁斷面繞流[57]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文9圖1-5扁平箱形橋梁斷面靜氣動(dòng)力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)[61-62]任若松等[51]通過風(fēng)洞試驗(yàn)測得模型表面風(fēng)壓分布，采用壓力積分方式獲得斷面在不同雷諾數(shù)下的三分力系數(shù)。試驗(yàn)表明：橋梁斷面局部細(xì)微差異并不能改變?nèi)至ο禂?shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律；從模型不同位置處的平均風(fēng)壓系數(shù)來看，前緣尖角的下游位置表現(xiàn)出較明顯的雷諾數(shù)效應(yīng)。李海飛等[52]通過剛性節(jié)段模型測壓試驗(yàn)分析了雷諾數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)表面脈動(dòng)壓力場的影響，流線型橋梁斷面表面脈動(dòng)風(fēng)荷載的作用形式會(huì)隨雷諾數(shù)變化，在特定位置流動(dòng)分離和再附等現(xiàn)象會(huì)隨雷諾數(shù)發(fā)生變化，從而影響整體的氣動(dòng)力和漩渦脫落規(guī)律。張丹等[53]研究不同攻風(fēng)角流線型橋梁斷面壓力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)。1.4本文主要研究內(nèi)容本文以某公鐵兩用跨海橋梁作為研究背景，以橋塔、橋面節(jié)段以及列車作為研究對(duì)象，采用Fluent軟件平臺(tái)構(gòu)建二維和三維數(shù)值波浪水槽。通過風(fēng)、浪等環(huán)境荷載進(jìn)行數(shù)值模擬與驗(yàn)證，進(jìn)一步研究波浪氣動(dòng)干擾、列車交會(huì)、擋風(fēng)屏障、橋塔遮蔽效應(yīng)等在特殊多流場環(huán)境下列車-橋梁系統(tǒng)繞流場特性，揭示不同流場環(huán)境狀態(tài)對(duì)列車-橋梁系統(tǒng)繞流場特性影響規(guī)律，具體研究內(nèi)容和章節(jié)劃分如下：第二章，構(gòu)建波浪數(shù)值水槽和風(fēng)-浪聯(lián)合作用場，并從波浪時(shí)程、空間波形、水質(zhì)點(diǎn)速度等三個(gè)方面驗(yàn)證數(shù)值水槽正確性。具體步驟為：（1）編寫Fluent軟件二次開發(fā)程序，通過邊界造波法造波，VOF技術(shù)捕捉自由液面以及阻尼消波法消波，構(gòu)造數(shù)值波浪水槽模擬二維二階Stokes波浪，在此基礎(chǔ)上通過設(shè)置波浪上部空氣特定的水平速度構(gòu)建二維風(fēng)-浪聯(lián)合作用場；（2）對(duì)二維平面沿垂向進(jìn)行延伸，建立三維波浪水槽以及風(fēng)-浪聯(lián)合作用場；（3）模擬計(jì)算過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測波浪的時(shí)程曲線，同時(shí)輸出不同時(shí)刻下波浪?

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文142.3二維數(shù)值波浪水槽模擬和驗(yàn)證2.3.1數(shù)值波浪水槽設(shè)計(jì)本課題研究波浪參數(shù)為：波長L=14m，周期T=3s，波高H=0.8m，波速C=4.67m/s；設(shè)計(jì)數(shù)值水槽尺寸為：水槽長L1=60m，高H1=8m，靜水水深D1=4m，消波段長度為L2=14m，防止水槽末端水位抬高，在垂直方向上選擇靜水液面上下一個(gè)波高的計(jì)算區(qū)域，考慮到消波范圍減小，將經(jīng)驗(yàn)系數(shù)α設(shè)置為10。此外，在水槽沿程設(shè)置虛擬波高儀，監(jiān)測波浪時(shí)程曲線以便后續(xù)驗(yàn)證，如圖2-1所示。圖2-1數(shù)值水槽幾何簡圖由于后續(xù)研究需要模擬風(fēng)浪聯(lián)合作用場，采用邊界造波法通過用戶自定義函數(shù)分別對(duì)入口邊界空氣相和水相給以特定的速度更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定風(fēng)浪聯(lián)合作用場模擬。本文模擬水槽的邊界條件設(shè)定為：AB邊為速度入口（Velocity-inlet），AD邊為壁面邊界（Wall），CD邊為壓力出口（Pressure-outlet）。水槽上部BC邊采用對(duì)稱邊界條件（symmetry），如圖2-2所示。圖2-2邊界條件設(shè)定2.3.2網(wǎng)格和時(shí)間步長無關(guān)性驗(yàn)證模擬計(jì)算中網(wǎng)格劃分和時(shí)間步長對(duì)計(jì)算結(jié)果影響非常大，因而需要通過模擬試驗(yàn)達(dá)到網(wǎng)格和時(shí)間步長無關(guān)性，計(jì)算結(jié)果才比較可靠。本節(jié)共設(shè)計(jì)3種網(wǎng)格劃分方式和3個(gè)不同時(shí)間步長進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在權(quán)衡計(jì)算時(shí)間成本和計(jì)算精確兩方面達(dá)到平衡以確定網(wǎng)格和時(shí)間步長,具體方案如表2-1所示。本文網(wǎng)格劃分原則是在自由液面附近的區(qū)域進(jìn)行局部加密,原因通過局部加密降低波高梯度變化過大導(dǎo)致的誤差，同時(shí)有利于捕捉自由液面，使重構(gòu)的波浪液面更加光順。離自由液面較遠(yuǎn)處波高梯度變化小,采用過密的網(wǎng)格則會(huì)浪費(fèi)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]串列雙方柱繞流的時(shí)均壓力分布特性研究[J]. 劉小兵,陳帥,趙會(huì)濤.  建筑結(jié)構(gòu). 2020(01)
[2]基于推板造波方法的數(shù)值波浪水槽性能研究[J]. 李杰.  四川建筑. 2019(01)
[3]圓角化對(duì)方柱氣動(dòng)性能影響的流場機(jī)理[J]. 杜曉慶,田新新,馬文勇,李二東.  力學(xué)學(xué)報(bào). 2018(05)
[4]高雷諾數(shù)下多柱繞流特性研究[J]. 李聰洲,張新曙,胡曉峰,李巍,尤云祥.  力學(xué)學(xué)報(bào). 2018(02)
[5]橋面欄桿對(duì)主梁氣動(dòng)力和渦脫特性的影響研究[J]. 祝志文.  鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2016(10)
[6]角部處理的二維方柱風(fēng)壓分布特性的試驗(yàn)研究[J]. 王新榮,顧明.  土木工程學(xué)報(bào). 2016(07)
[7]波浪水槽中Stokes五階波的數(shù)值生成[J]. 李邦華,鄭向遠(yuǎn),李煒,榮維棟.  武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版). 2016(02)
[8]流線型橋梁斷面雷諾數(shù)效應(yīng)[J]. 張丹,李加武,徐洪濤.  土木工程與管理學(xué)報(bào). 2015(04)
[9]亞臨界雷諾數(shù)下圓柱和方柱繞流數(shù)值模擬[J]. 沈立龍,劉明維,吳林鍵,李鵬飛,舒丹.  水道港口. 2014(03)
[10]靜止方柱和圓柱繞流的二維數(shù)值分析[J]. 畢繼紅,余化軍,任洪鵬.  三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2012(01)

博士論文
[1]風(fēng)浪流數(shù)值模擬與風(fēng)-浪聯(lián)合作用下橋塔動(dòng)力響應(yīng)研究[D]. 柏曉東.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2018
[2]橫風(fēng)作用下的高速列車氣動(dòng)特性及運(yùn)行安全性研究[D]. 郗艷紅.北京交通大學(xué) 2012

碩士論文
[1]圓柱和方柱繞流及矩形柱渦激振動(dòng)的二維數(shù)值分析[D]. 余化軍.天津大學(xué) 2012



本文編號(hào)：2921311