系統識別號 | U0002-1801201316533900 |
---|---|
DOI | 10.6846/TKU.2013.00639 |
論文名稱(中文) | 車-橋斷面耦合之CFD風力係數模擬 |
論文名稱(英文) | Computational Fluid Dynamics Simulation of Aerodynamic Coefficients on Bridge-Vehicle systems |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 土木工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Civil Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 101 |
學期 | 1 |
出版年 | 102 |
研究生(中文) | 賴冠廷 |
研究生(英文) | Kuan-Ting Lai |
學號 | 600380074 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
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 |
關鍵字(中) |
CFD 風工程 風力係數 計算流體力學 橋梁 FLUENT |
關鍵字(英) |
Fluent CFD Wind engineering Bridge |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
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. |
第三語言摘要 | |
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 |
參考文獻 |
1. 王福军“计算流体力學分析─CFD軟件原理與應用”(2004) 2. 劉宗憲“計算流體力學應用於風力發電機結構受風可行性研究”淡江大學土木工程學系碩士班 碩士論文(2010) ,指導教授:張正興 3. FLUENT6.3 Documentation ,http://www.fluent.com/(2004) 4. GAMBIT2.3 Documentation ,http://www.fluent.com/(2004) 5. B. E. Launder and D. B. Spalding. “The Numerical Computation of Turbulent Flows. ” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 3:269-289, 1974. 6. Simiu, E. and R.H. Scanlan, “Wind Effect on Structures,” John Wiley & Sons. 7. Kareem, Ahsan and Kline, Samuel, “Performance of Multiple Mass Dampers Under Random Loading,” Journal of Structural Engineering. ASCE, Vol. 121. No. 2, February, (1995). 8. 黃靖祺 “平板斷面橋梁受風之壓力量測”淡江大學土木工程學系碩士班 碩士論文(2002) ,指導教授:林淯溢 9. 吳國鼎 “紊流場對長跨徑橋梁顫振與抖振之影響”淡江大學土木工程學系碩士班 碩士論文(2000),指導教授:林淯溢 10. 林世權 “風攻角和紊流場對長跨徑橋樑抖振之影響”淡江大學土木工程學系碩士班 碩士論文(1999) ,指導教授:林淯溢 11. 藍倉連“斷面寬深比對長跨徑橋梁顫振與抖振之影響”淡江大學土木工程學系碩士班 碩士論文(2001) ,指導教授:林淯溢 12. 中華民國交通部台灣區國道新建工程局 “第二高速公路後續計劃燕巢九如段:高屏溪橋(主橋)風洞試驗報告”(1994) 13. ANDREAS ROULUND1, B. MUTLU SUMER1,JORGEN FREDSOE1 AND JESS MICHELSEN2 “Numerical and experimental nvestigation of flow and scour around a circular pile” J. Fluid Mech (2005) 14. Lin Huang , Haili Liao , Bin Wangb, Yongle Li ” Numerical simulation for aerodynamic derivatives of bridge deck” Simulation Modelling Practice and Theory17 (2009) 719–729 15. 趙茂吉”3D Unstructured Grid Generation by Mixed Octree/Advancing Front method”,八十七年度計算流體力學系列講座(III),行政院國科會 16. 沈澄宇、姜巍棠,八十七年度計算流體力學系列講座(III),行政院國科會 17. 韓艷、蔡春聲、胡揭玄,“橫風作用下移動車輛和橋梁氣動特性的數值模擬研究”第十五屆中國結構風工程學術會議(2011) 18. 胡揭玄、韓艷、蔡春聲,“橫風作用下公路車輛與橋梁氣動特性的影響研究” 第一屆中國結構風工程研究生論壇(2011) 19. 劉鑰、陳政清、張志田,“箱梁斷面靜風力系數的CFD數值模擬” JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.29 No1(2010) 20. 祝志文、陳偉芳、陳政清,“橫風中雙層客車車輛的風荷載研究”國防科技大學學報(2001) 21. 李永樂、張明金、胡朋、廖海黎,“車輛運動對車-橋系統氣動特性的影響研究”第十四屆中國結構風工程學術會議論文集(2009) 22. J. Bettle, A.G.L. Holloway, J.E.S. Venart ,“A computational study of the aerodynamic forces acting on a tractor-trailer vehicle on a bridge in cross-wind”,Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 91 (2003) 573–592 23. F. Cheli, F.Ripamonti, D.Rocchi, G.Tomasini“Aerodynamic behaviour investigation of the new EMUV250 train to cross wind”,Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 98 (2010) 189–201 24. Emmanuel Guilmineau, Oussama Chikhaoui, GanBo Deng, Michel Visonneau,“Cross wind effects on a simplified car model by a DES approach”,Computers & Fluids (2011) 25. W. Angelis, D. Drikakis, F. Durst, W. Khier,“Numerical and experimental study of the flow over a two-dimensional car model”,Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 62 (1996) 57 79 26. W. Khier, M. Breuer, F. Durst,“Flow structure around trains under side wind conditions: a numerical study”,Computers & Fluids 29 (2000) 179±195 27. Yuguang Bai , Dongke Sun , Jiahao Lin,“Three dimensional numerical simulations of long-span bridge aerodynamics,using block-iterative coupling and DES”,Computers & Fluids 39 (2010) 1549–1561 28. C.S. Cai, S.R. Chen,“Framework of vehicle–bridge–wind dynamic analysis”,Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 92 (2004) 579–607 29. Yongle Li, Shizhong Qiang, Haili Liao, Y.L. Xu,“Dynamics of wind–rail vehicle–bridge systems”,Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 93 (2005) 483–507 30. R.H. Scanlan,“Bridge aeroelasticity—present state and future challenges”, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 36 (1990) 63–74 31. A.G. Davenport,“Past, present and future of wind engineering”,J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 90 (2002)1371-1380 32. G. Diana, F. Cheli,“Dynamic interaction of railway systems with large bridges”,Vehicle System Dyn. 18 (1989) 71–106 33. Y.L. Xu, W.H. Guo,“Dynamic analysis of coupled road vehicle and cable-stayed bridge system under turbulent wind”,Eng. Struct. 25 (2003) 473–486 34. Stephane Sanquer, Christian Barre, Marc Dufresne de Virel,Louis-Marie Cleon,“Effect of cross winds on high-speed trains:development of a new experimental methodology”,Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 92 (2004) 535–545 35. L.D. Zhu , L.Li , Y.L.Xu , Q.Zhu,“Wind tunnel investigations of aerodynamic coefficients of road vehicles on bridge deck”,Journal of Fluids and Structures 30 (2012) 35–50 36. F. Dorigatti , M.Sterling , D.Rocchi , M.Belloli , A.D.Quinn , C.J.Baker , E.Ozkan,“Wind tunnel measurements of crosswind loads on high sided vehicles over long span bridges”,Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 107–108 (2012) 214–224 37. Baker, C.J,“A simplified analysis of various types of wind induced road vehicle accidents”,Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 22, 69–85.(1986) 38. Baker, C.J,“Measures to control vehicle movement at exposed sites during windy periods”,Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 22 (1987) 151–161 39. Baker, C.J,“Ground vehicles in high cross winds. Part 1: steady aerodynamic forces”,Journal of Fluids and Structures 5, 69–90 (1991) 40. Baker, C.J,“Ground vehicles in high cross winds. Part 2. Unsteady aerodynamic forces”,Journal of Fluids and Structures 5, 91–111 (1991) 41. Baker, C.J,“Ground vehicles in high cross winds. Part 3.Theinteraction of aerodynamic forces and the vehicle system”,Journal of Fluids and Structures 5, 221–241 (1991) 42. Baker, C.J., Reynolds, S,“Wind induced accidents of road vehicles”,Accident Analysis and Prevention 24 (6), 559–575.(1992) 43. Baker, C.J., Humphreys, N.D,“Assessment of the adequacy of various wind tunnel techniques to obtain aerodynamic data for ground vehicles in cross winds”,Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 60, 49–68.(1996) |
論文全文使用權限 |
如有問題,歡迎洽詢!
圖書館數位資訊組 (02)2621-5656 轉 2487 或 來信