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系統識別號 U0002-1801201316533900
中文論文名稱 車-橋斷面耦合之CFD風力係數模擬
英文論文名稱 Computational Fluid Dynamics Simulation of Aerodynamic Coefficients on Bridge-Vehicle systems
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 101
學期 1
出版年 102
研究生中文姓名 賴冠廷
研究生英文姓名 Kuan-Ting Lai
學號 600380074
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-01-10
論文頁數 147頁
口試委員 指導教授-張正興
委員-林堉溢
委員-黎益肇
中文關鍵字 CFD  風工程  風力係數  計算流體力學  橋梁  FLUENT 
英文關鍵字 Fluent  CFD  Wind engineering  Bridge 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 相較於風洞試驗來得到試體斷面的風力係數之花費與動員人力,以計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)方式來模擬橋樑斷面周圍之風場特性更顯其經濟。這之中不只可模擬橋斷面周圍流場的壓力、速度的分佈情形,並可獲得橋斷面在不同風攻角下之風力係數,以為未來橋梁受風力作用的風力動態分析之用。

本文將以ANSYS之FLUENT軟體作為CFD計算風場網格的模擬基礎,針對矩形斷面、高屏溪橋斷面進行風力係數模擬,並與前人之風洞試驗進行分析比較。與此同時,對於數值模擬之紊流模型、模型外觀以及粗糙度在不同風攻角下對氣動力係數之影響,進行討論,並依此模式為基礎,就高屏溪橋斷面之車-橋系統的風力係數與周圍風場的探討。最後,根據車-橋耦合斷面之模擬結果將其可視化模擬,並觀察其車-橋間之風壓流場變化情形,以釐清一般風洞實驗看不到的現象。

根據本文之研究結果,將可提供對橋梁斷面之CFD模式建立及模擬方法,透過快速的數值模擬,以做為風洞試驗前風力係數之評估參考,並為接下來的CFD氣彈力模擬做好先期基礎工作。
英文摘要 Use Computational Fluid Dynamics (computational fluid dynamics, CFD) to simulate the wind field around bridge deck section and aerodynamic coefficients more economical than wind tunnel tests.CFD can simulate the pressure of the flow field around the bridge section and speed distribution. And CFD can get the bridge section of aerodynamic coefficients under different wind direction ,that future bridges subjected to the action of the wind in the wind dynamic analysis purposes.
This article will use ANSYS FLUENT software as the CFD computational simulation of the wind field grid foundation to simulate the aerodynamic coefficients for rectangle cross-section and the Kaoping bridge cross-section . Using the above results compared with the previous wind tunnel test to illustrate the numerical simulation of turbulent flow model, model appearance and roughness under different wind direction of aerodynamic coefficient. And use this result to simulate aerodynamic coefficient and flow field around the section for Bridge-Vehicle systems
Visualization according to the Vehicle-Bridge cross-section of the simulation results observed the change of wind pressure and flow field between cars and bridge, in order to observe the general wind tunnel experiments can't observed phenomenon.
We can use the results of this study provide the CFD simulation settings and simulation mode of the bridge deck section through rapid numerical simulation can be used as the assessment of aerodynamic coefficient before the wind tunnel tests and prepare CFD aeroelastic simulation basic.
論文目次 目錄
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究方法 4
1-4 研究內容 4
1-5 論文架構 5
第二章 計算風工程理論 7
2-1 流體特性概述 7
2-1.1 流體黏滯性(Viscosity) 7
2-1.2 雷諾數(Reynolds numbers) 8
2-2 控制方程式 9
2-3 計算流體力學 11
2-3.1 計算流體力學之介紹 11
2-3.2 計算流體力學之方程式的建立 12
2-3.3 數值方法 14
2-3.3 紊流模式 18
2-3.4 Wall function 22
2-4 風效應概述 26
2-4.1 風效應 26
2-4.2 均勻紊流場特性 28
2-4.3 風力係數 30
第三章 二維矩形斷面模擬與實驗比較 32
3-1 淡江大學橋樑風洞概述 32
3-2 黃靖祺(2002)之風洞配置與實驗裝置 33
3-3 CFD數值模擬 36
3-3-1 計算域 37
3-3-2 網格繪製 38
3-3-3 紊流模式 40
3-3-4 邊界條件 40
3-4 模擬結果與驗證 41
3-4-1 改變斷面方向與改變入流風向之模擬比較 42
3-4-1.1 風力係數比較 42
3-4-1.2 風壓分佈圖比較 44
3-4-1.3 流場圖比較 46
3-4-2 RNG 與realizable 之模擬比較 49
3-4-2.1 風力係數比較 49
3-4-2.2 風壓分佈圖比較 52
3-4-2.3 流場圖比較 53
3-5 高風速下風力係數之驗證 56
3-6 小結 58
第四章 二維高屏溪橋斷面模擬與比較 59
4-1 淡江大學大氣邊界層風洞概述 59
4-2 風洞配置與實驗裝置 61
4-3 CFD數值模擬 64
4-3-1 計算域 64
4-3-2 網格繪製 65
4-3-3 紊流模式 66
4-3-4 邊界條件 67
4-4 模擬結果與驗證 67
4-4-1 斷面有無護欄之模擬比較 69
4-4-1.1 風力係數比較 70
4-4-1.2 風壓分佈圖比較 71
4-4-1.3 流場分佈圖比較 76
4-4-2 粗糙度之影響 79
4-4-2.1 粗糙度定義 79
4-4-2.2 風力係數比較 80
4-4-2.3 風壓分佈圖比較 83
4-4-2.4 流場圖比較 87
4-4-3 RNG 與realizable 之模擬比較 91
4-4-3.1 風力係數比較 91
4-4-3.2 風壓分佈圖比較 93
4-4-3.3 流場圖比較 97
4-5 小結 100
第五章 二維車-橋耦合斷面模擬與比較 101
5-1 參數分析 101
5-2 CFD數值模擬 103
5-2-1 計算域 103
5-2-2 網格繪製 104
5-2-3 紊流模式 105
5-2-4 邊界條件 106
5-3 車體位置對橋梁風力係數影響 106
5-3-1 車輛行駛於迎風面 107
5-3-1.1 車輛行駛於迎風面之風力係數比較 107
5-3-1.2 車輛行駛於迎風面之風壓比較 109
5-3-1.3 車輛行駛於迎風面之流場比較 111
5-3-2 車輛行駛於背風面 115
5-3-2.1 車輛行駛於背風面之風力係數比較 115
5-3-2.2 車輛行駛於背風面之風壓比較 117
5-3-2.3 車輛行駛於背風面之流場比較 120
5-3-3 雙向皆有車輛行駛之情形 123
5-3-3.1 雙向皆有車輛行駛在不同速限下風力係數比較 124
5-3-3.2 雙向皆有車輛行駛之風壓比較 127
5-3-3.3 雙向皆有車輛行駛之流場比較 130
5-3-3.4 護欄對局部風壓及流場影響 133
5-4 可視化 134
5-5 小結 138
第六章 結論與建議 140
6-1 結論 140
6-2 建議 141
參考文獻 143


圖目錄
圖2 1 Fluent網格元素類型[3] 14
圖2 2 流體流經鈍體之分離現象(Simiu, E、R.H. Scanlan) 26
圖2 3 流體與鈍體之再接觸現象(Simiu, E、R.H. Scanlan) 27
圖 2 4 橋樑斷面受風力示意圖 30
圖3 1 淡江大學大氣邊界層風洞側視圖 33
圖3 2 淡江大學大氣邊界層風洞上視圖 33
圖3 3 風洞橫斷面平滑流場之紊流均勻性(黃靖祺,2002) 34
圖3 4 模型斷面於橋梁風洞之架設情形(此非實際平板模型) 35
圖3 5平板斷面開孔情形側視圖(黃靖祺,2002) 35
圖3 6平板斷面開孔情形上視圖(黃靖祺,2002) 35
圖3 7CFD數值模擬流程圖[13] 36
圖3 8計算域與試驗斷面 38
圖3 9計算域劃分情形 39
圖3 10網格繪製情形 40
圖3 11 邊界條件示意圖 41
圖3 12固定入流風改變斷面角度之示意圖 42
圖3 13改變入流風向固定斷面之示意圖 42
圖3 14風力係數比較圖 43
圖3 15風壓比較圖 45
圖3 16流場比較圖 47
圖3 17 Modal1風攻角5度流場局部比較圖 49
圖3 18風力係數比較圖 51
圖3 19 RNG 與realizable 0度角風壓比較圖 52
圖3 20 RNG 與realizable 5度角風壓比較圖 53
圖3 21 0度角流場比較圖 54
圖3 22 5度角流場比較圖 55
圖3 23不同風速下風力係數比較圖 57
圖4 1 大氣邊界層風洞上視圖 60
圖4 2 大氣邊界層風洞側視圖 60
圖4 3 高屏溪橋梁斷面圖 62
圖4 4 橋梁斷面架設圖 62
圖4 5 順風向風力係數 量測架構圖 63
圖4 6 垂直向風力係數 垂直向風力係數 量測架構圖 63
圖4 7 高屏溪橋梁斷面尺寸圖 64
圖4 8 計算域與試驗斷面 64
圖4 9 計算域劃分情形 66
圖4 10 網格繪製情形 66
圖4 11 KPR1有護欄斷面模型示意圖 68
圖4 12 KPR2無護欄斷面模型示意圖 68
圖4 13 有無護欄之風力係數比較圖 71
圖4 14 0度角風壓比較圖 73
圖4 15 5度角風壓比較圖 74
圖4 16 -5度角風壓比較圖 75
圖4 17 0度角流場比較圖 76
圖4 18 5度角流場比較圖 77
圖4 19 -5度角流場比較圖 78
圖4 20 有無粗糙度之風力係數比較圖 82
圖4 21 0度角風壓比較圖 84
圖4 22 5度角風壓比較圖 85
圖4 23 -5度角風壓比較圖 86
圖4 24 0度角流場比較圖 88
圖4 25 5度角流場比較圖 89
圖4 26 -5度角流場比較圖 90
圖4 27 有無粗糙度之風力係數比較圖 92
圖4 28 0度角風壓比較圖 94
圖4 29 5度角風壓比較圖 95
圖4 30 -5度角風壓比較圖 96
圖4 31 0度角流場比較圖 97
圖4 32 5度角流場比較圖 98
圖4 33 -5度角流場比較圖 99
圖5 1 車輛行駛於橋面示意圖 101
圖5 2 計算域與試驗斷面 104
圖5 3 計算域劃分情形 105
圖5 4 網格繪製情形 105
圖5 5 車輛行駛於迎風面之示意圖 107
圖5 6 車輛行駛於迎風面時橋體之風力係數 108
圖5 7 車輛行駛於迎風面5度角時之風壓比較圖 109
圖5 8 車輛行駛於迎風面0度角時之風壓比較圖 110
圖5 9 車輛行駛於迎風面-5度角時之風壓比較圖 111
圖5 10 車輛行駛於迎風面5度角時之流場比較圖 112
圖5 11 車輛行駛於迎風面5度角時之流場比較圖 113
圖5 12 車輛行駛於迎風面5度角時之流場比較圖 114
圖5 13 車輛行駛於背風面之示意圖 115
圖5 14 車輛行駛於背風面時橋體之風力係數 116
圖5 15 車輛行駛於背風面5度角時之風壓比較圖 117
圖5 16 車輛行駛於背風面0度角時之風壓比較圖 118
圖5 17 車輛行駛於背風面-5度角時之風壓比較圖 119
圖5 18 車輛行駛於背風面5度角時之流場比較圖 120
圖5 19 車輛行駛於背風面0度角時之流場比較圖 121
圖5 20 車輛行駛於背風面-5度角時之流場比較圖 122
圖 5 21 雙向車道皆有車輛行駛之斷面示意圖 123
圖5 22 雙向皆有車輛行駛之分佈示意圖 124
圖5 23 雙向車道皆有車輛行駛在最高速限下之風力係數 125
圖5 24 雙向車道皆有車輛行駛在最低速限下之風力係數 126
圖5 25 雙向車道皆有車輛行駛在5度角時之風壓比較圖 127
圖5 26 雙向車道皆有車輛行駛在0度角時之風壓比較圖 128
圖5 27 雙向車道皆有車輛行駛在-5度角時之風壓比較圖 129
圖5 28 雙向車道皆有車輛行駛在5度角時之流場比較圖 130
圖5 29 雙向車道皆有車輛行駛在0度角時之流場比較圖 131
圖5 30 雙向車道皆有車輛行駛在-5度角時之流場比較圖 132
圖5 31 車-橋耦合斷面有無護欄之流場比較圖 133
圖5 32 車-橋耦合斷面有無護欄之風壓比較圖 134
圖5 33 Fluent 13.0作業畫面 135
圖5 34 可視化流程圖 135
圖5 35 Fluent 13.0可視化選項 136
圖5 36 Fluent 13.0中“Pathlines”選項內容 137
圖5 37 局部動態流線表示情形 138

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