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系統識別號 U0002-1309201717195900
中文論文名稱 以CFD模擬二維斷面橋體氣動力特性研究
英文論文名稱 Investigation on aerodynamic characteristics of 2D bridge sections by using CFD
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 105
學期 2
出版年 106
研究生中文姓名 吳唐綺
研究生英文姓名 Tang-Chi Wu
電子信箱 donna432617@yahoo.com.tw
學號 603380378
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2017-07-10
論文頁數 69頁
口試委員 指導教授-林堉溢
委員-鄭啟明
委員-黎益肇
中文關鍵字 CFD  風力係數  計算流體力學  橋梁  FLUENT 
英文關鍵字 Fluent  CFD  Wind engineering  Bridge  and section models 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 隨著時代的改變,在科技不斷進步的情況下,工程師也不斷挑戰橋梁跨度的極限,當橋梁跨徑不斷增加,柔度也會隨之變高,而風致結構反應的影響也會越來越嚴重。
然而,橋梁風洞實驗是非常耗時、耗工的作業,因此,為能在進行風洞實驗前以分析方式粗估風致反應對橋梁所造成的影響,以便初步探討,本文採用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)進行橋梁風洞實驗分析以及模擬,取得氣動力參數。此方法無須風洞、模型以及儀器之建置成本,亦不受限於實際風洞之限制,既可減少實驗所消耗的時間,也可以分析風洞實驗無法實現之實際情況,如風速剖面、極高風速以及特定紊流……等特殊條件,再者,此方法也不受地點、地形以及氣候等自然環境影響,且相較於傳統風洞實驗,此法分析結果重複性相當高,可以不斷測試各種形式之橋梁斷面,以便取得完整資訊。
計算流體力學分析雖然相對於風洞實驗而言是較為便利,但分析結果之正確性受輸入參數以及網格劃分技術之優劣影響甚深,因此,本文旨在探討如何建制良好的分析模式,透過CFD之運算,以求得良好的分析結果。
本研究主要以數值分析為主,以過去風洞試驗的設置條件為基礎,模擬二維幾何斷面橋體在均勻來流下之風力係數,進行模擬風洞試驗的網格繪製、計算域配置以及邊界條件設定,再以ANASYS開發的計算流體力學套裝軟體FLUENT 15.0進行分析,最後將數值分析的結果與風洞試驗之風力係數比較,並討論不同設置條件以及不同網格繪製下的精準度,並針對其誤差做探討,進一步得到更適合橋樑斷面模擬的條件。
本研究內容針對矩形斷面B/D=5、B/D=8、B/D=10以及B/D=13之風洞試驗進行數值分析比較,針對相同初始條件設置、不同網格繪製下之風力係數以及 進行探討,並依此設置為基礎進行風力係數與 之模擬、分析以此加以討論。
英文摘要 Due to the rapid progress of computing efficiency, Computational Fluid Dynamics (CFD) has been proven to be more economical than the traditional wind tunnel tests. Therefore, this paper uses CFD to predict the aerodynamic coefficients of bridge deck cross sections. ANSYS FLUENT software is used to perform the simulations. The k-ω model is adopted to simulate the turbulence behavior of the flow field around the bridge section and speed distribution. And the aerodynamic coefficients are then obtained by the pressure. The rectangular cross-sections with the width-depth ratio ( B/D) of 5, 8, 10 and 13 are investigated. The attack angles ranged from 0-10 degrees are studied. The numerical results are compared with those obtained from wind tunnel tests. The comparison indicate that the results agree well at attack angles ranged from 0-6 degrees, however, the results are not consistent at attack angles larger than 6 degrees. This is because the 2D simulations are not suitable in these cases. The discrepancies can possibly be reduced by using 3D simulations in the future.
論文目次 目錄
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究方法 2
1.3 研究內容 2
1.4 本文架構 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 前言 4
2.2 相關研究 4
第三章理論背景 7
3.1 前言 7
3.2 風效應概述 8
3.2.1 風效應 8
3.2.2均勻紊流場特性 10
3.2.3風力係數 13
3.2.4風壓係數 14
3.3 流體特性概述 15
3.3.1流體黏滯性 (Viscosity) 15
3.3.2 雷諾數 (Reynolds numbers) 15
3.4 控制方程式 16
3.5 計算流體力學 18
3.5.1計算流體力學介紹 18
3.5.2 Fluent 使用介紹 19
3.5.3網格繪製 19
3.5.4 數值方法 21
3.5.5 紊流模式 24
3.5.6 壁面函數 (Wall function) 25




第四章數值模擬方法 28
4.1 前言 28
4.2 模型斷面 28
4.3CFD數值模擬 32
4.3.1計算域 33
4.3.2網格繪製 34
4.3.3邊界條件 40
4.3.4設定模式 40
第五章 二維矩形模擬與實驗比較 41
5.1模擬結果與驗證 41
5.1.1 B/D=5 二維數值模型風力係數比較 41
5.1.2 B/D=10 二維數值模型風力係數比較 44
5.1.3 B/D=8 二維數值模型風力係數比較 46
5.1.4B/D=13 二維數值模型風力係數比較 48
5.2小結 50
5.3風壓分佈 51
5.3.1 斷面深寬比對風壓分佈之影響 51
5.3.3B/D=5風壓分佈圖比較 52
第六章結論與建議 65
6.1結論 65
6.2建議 65
參考文獻 67

圖目錄
圖3-1 流體流經鈍體之分離現象(Simiu, E、R.H. Scanlan) 8
圖3-2 流體與鈍體之再接觸現象(Simiu, E、R.H. Scanlan) 9
圖3-3 網格種類 (Fluent 6.1 User Guide) 20
圖4-1 模擬示意圖 29
圖4-2 矩形斷面尺寸圖 30
圖4-3 CFD數值模擬流程圖 32
圖4-4 計算域與試驗斷面 33
圖4-5 A_model整體計算域網格 34
圖4-6 A_model橋面版周圍網格加密細節 35
圖4-7 B_model整體計算域網格 36
圖4-8 B_model橋面版周圍網格加密細節 36
圖4-9 C_model整體計算域網格 37
圖4-10 C_model網格橋面版周圍網格加密細節 37
圖4-11 邊界條件示意圖 40
圖5-1 拖曳向(Drag)風力係數比較圖(B/D=5) 42
圖5-2 垂直向(Lift)風力係數比較圖(B/D=5) 42
圖5-3 扭轉向(Moment)風力係數比較圖(B/D=5) 43
圖5-4 拖曳向(Drag)風力係數比較圖(B/D=10) 44
圖5-5 垂直向(Lift)風力係數比較圖(B/D=10) 45
圖5-6 扭轉向(Moment)風力係數比較圖(B/D=10) 45
圖5-7拖曳向(Drag)風力係數比較圖(B/D=8) 46
圖5-8垂直向(Lift)風力係數比較圖(B/D=8) 47
圖5-9扭轉向(Moment)風力係數比較圖(B/D=8) 47
圖5-10 垂直向(Lift)風力係數比較圖(B/D=13) 48
圖5-11扭轉向(Moment)風力係數比較圖(B/D=13) 49
圖5-12 B/D=5不同網格系統之風壓值圖(風攻角0度) 53
圖5-13 B/D=5不同網格系統之風壓值圖(風攻角2度) 54
圖5-14 B/D=5不同網格系統之風壓值圖(風攻角4度) 55
圖5-15 B/D=5不同網格系統之風壓值圖(風攻角6度) 56
圖5-16 B/D=5不同網格系統之風壓值圖(風攻角8度) 57
圖5-17 B/D=5不同網格系統之風壓值圖(風攻角10度) 58
圖5-18 B/D=5橋板風壓分佈圖(風攻角0度) 59
圖5-19 B/D=5橋板風壓分佈圖(風攻角2度) 60
圖5-20 B/D=5橋板風壓分佈圖(風攻角4度) 61
圖5-21 B/D=5橋板風壓分佈圖(風攻角6度) 62
圖5-22 B/D=5橋板風壓分佈圖(風攻角8度) 63
圖5-23 B/D=5橋板風壓分佈圖(風攻角10度) 64

表目錄

表4-1 風速及雷諾數比較 31
表4-2 B/D=5網格比較 38
表4-3 B/D=10網格比較 39

參考文獻 參考文獻
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