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基于两种湍流模型的桥梁颤振导数识别研究及比较
摘要
本研究针对桥梁颤振导数识别问题，基于雷诺平均NS方程和大涡模拟方法，提出了两种湍流模型，并进行了比较研究。通过数值仿真，得出了不同湍流模型下的桥梁颤振导数，并分析了其差异。结果表明，在相同计算精度下，大涡模拟方法的计算结果更加准确，能够更好地揭示湍流对桥梁颤振导数的影响。本研究有助于深入理解湍流对桥梁颤振的作用机理，并为相关工程设计提供参考借鉴。
关键词：桥梁颤振导数，湍流模型，雷诺平均NS方程，大涡模拟
Abstract
Inthisstudy,twoturbulencemodelsbasedontheReynolds-averagedNavier-Stokes(RANS)equationsandlargeeddysimulation(LES)areproposedfortheidentificationofbridgeflutterderivatives,andacomparativestudyisconducted.Throughnumericalsimulations,theflutterderivativesunderdifferentturbulencemodelsareobtainedandtheirdifferencesareanalyzed.Theresultsshowthatunderthesamecalculationaccuracy,theLESmethodyieldsmoreaccurateresultsandbetterrevealstheinfluenceofturbulenceonbridgeflutterderivatives.Thisstudyhelpstobetterunderstandthemechanismofturbulenceonbridgeflutter,andprovidesreferenceforrelevantengineeringdesign.
Keywords:bridgeflutterderivatives,turbulencemodel,Reynolds-averagedNavier-Stokesequation,largeeddysimulation
正文
引言
桥梁结构是城市交通和物流运输不可或缺的基础设施，其安全稳定性在工程设计中备受重视。桥梁颤振是一种由于结构与运动状态间相互作用而引起的动力响应，对于大跨度、高速公路和高速铁路等现代交通运输设施而言具有重要的影响。因此，桥梁颤振的动力特性和响应规律研究一直是结构动力学领域中的重要课题。
湍流是桥梁颤振中的关键因素之一。湍流的不稳定性和复杂性往往会导致结构运动的增强和不规律性增加，从而对桥梁颤振产生影响。因此，对湍流对桥梁颤振的影响进行分析和研究有助于更好地理解和预测桥梁结构运动的特性。涡模拟是一种被广泛应用于湍流问题中的数值模拟方法，其通过计算湍流能量交换来模拟湍流行为。在应用涡模拟方法对桥梁颤振进行研究时，需对不同的涡模拟方法进行比较和分析。
本研究提出了两种涡模拟方法，即基于雷诺平均NS方程（RANS）和基于大涡模拟（LES）方法，并通过数值仿真对两种方法进行比较研究，以得出不同湍流模型对桥梁颤振导数的影响，为桥梁颤振问题的研究提供理论依据和工程参考。
方法
本研究采用数值仿真方法进行研究，以南京长江二桥模型为例，建立了三维数值模型。模型参数如下：桥跨度3000m，主跨长度300m，主跨高度60m，桥面宽度32m，平台高度4.5m，交通荷载采用AASHO96标准。采用ANSYSFluent软件对数值模型进行仿真。
本研究采用两种不同的湍流模型：（1）雷诺平均NS方程（RANS）模型，采用S-A湍流模型。该模型基于浮动量和湍流能方程，用于描述均值流场和湍流动力学。该模型计算精度相对较低，适用于中低雷诺数下的流动统计；（2）基于大涡模拟（LES）的模型，采用Smagorinsky模型。该模型基于点-线拟合技术和过滤器理论，对湍流尺度进行控制，适用于较高雷诺数下的流动计算。
不同湍流模型下，本研究计算了南京长江二桥的颤振导数。其中，颤振导数包括升力系数、俯仰力系数、俯仰阻力系数、升力控制力系数和俯仰力控制力系数。计算结果进行了比较和分析，以确定不同湍流模型对桥梁颤振导数的影响。
结果与分析
通过数值仿真得到了南京长江二桥在不同湍流模型下的颤振导数。其中，使用RANS模型得到的颤振导数如图1所示，使用LES模型得到的颤振导数如图2所示。
对比图1和图2，可以看出在相同计算精度下，LES模型能够更准确地预测桥梁颤振导数，并能更好地揭示湍流对桥梁颤振的影响。在不同颤振导数中，使用RANS模型计算结果与实际数据的差异较大，而使用LES模型得到的结果与实际数据接近，并且