Гостеев Юрий Анатольевич, доцент кафедры «Аэрогидродинамика», кандидат физико-математических наук, доцент
РФ, 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Gosteev, Yury A., associate professor of the Aerohydrodynamics Department, Cand.Sci. (Phys.-Math.), associate professor
20, K. Marks Pr., Novosibirsk, 630073, RF
Обуховский Александр Дмитриевич, доцент кафедры «Аэрогидродинамика», кандидат технических наук, доцент
РФ, 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Obukhovskiy, Alexander D., associate professor of the Aerohydrodynamics Department, Cand.Sci. (Eng.), associate professor
20, K. Marks Pr., Novosibirsk, 630073, RF
Саленко Сергей Дмитриевич, заведующий кафедрой «Аэрогидродинамика», доктор технических наук, профессор
РФ, 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Salenko, Sergey D., head of the Aerohydrodynamics Department, Dr.Sci. (Eng.), professor
20, K. Marks Pr., Novosibirsk, 630073, RF
Introduction. The technique of numerical modeling of the transverse flow over span structures of bridges on the basis of the two-dimensional URANS (Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes) approach used in the modern methods and software packages for computational fluid dynamics is verified. The work objective was debugging and experimental substantiation of this technique with the use of the database on the aerodynamic characteristics of the cross-sections of span structures of girder bridges of standard shapes pre-developed by the authors.
Materials and Methods. A numerical simulation of the transverse flow of low-turbulent (smooth) and turbulent air flows around the bridge structures in a range of practically interesting attack angles is carried out. SST k − ω turbulence model was used as the closing one. The technique was preliminarily tested on the check problem for the flow of the rectangular crosssection beams. Calculations were carried out using the licensed ANSYS software.
Research Results. The calculated dependences on the attack angle of the aerodynamic coefficients of forces (drag and lift) and the moment of the cross sections of the girder bridges of standard shapes are obtained. These data refer to the span structures at the construction phase (without deck and parapets, without parapets) and operation phase, under the conditions of model smooth and turbulent incoming flow. The latter allows us to outline the boundaries for more weighted estimates of the aerodynamic characteristics of thegirder bridges in a real wind current. The best agreement with the experimental data was obtained from the drag of the cross-section. The magnitude of the lifting force is more sensitive to the presence and extent of the separation regions, so its numerical determination is less accurate. The reproduction of the angle-of-attack effect on the aerodynamic moment of the cross-section is the most challenging for the majority of configurations.
Discussion and Conclusions. Comparison of the calculated and experimental data indicates the applicability of the URANS approach to the operational prediction of the aerodynamic characteristics of the single-beam span structures. In the case of multi-beam span structures, where the aerodynamic interference between separate girders plays an important role, the URANS approach must apparently give way to more accurate eddy-resolving methods. The results obtained can be used in the aerodynamic analysis of structures and in practice of the relevant design organizations in the field of transport construction.
Введение. Верифицирована методика численного моделирования поперечного обтекания пролетных строений мостов на основе нестационарного решения Рейнольдса для уравнений Навье — Стокса (URANS, Unsteady Reynoldsaveraged Navier — Stokes). Данный двумерный подход используется в современных методах и пакетах прикладных программ вычислительной гидроаэродинамики.
Цели работы — отладка и экспериментальное обоснование указанной методики. Для реализации поставленной цели использована ранее разработанная авторами база данных по аэродинамическим характеристикам поперечных сечений пролетных строений балочных мостов типовых форм.
Материалы и методы. Проведено численное моделирование поперечного обтекания мостовых строений низкотурбулентными (гладкими) и турбулентными воздушными потоками в диапазоне практически интересных углов атаки. В итоге использовалась модель турбулентности SST k − ω. Методика предварительно отработана на тестовой задаче обтекания балок прямоугольного поперечного сечения. Расчеты проводились с помощью лицензионного программного комплекса ANSYS.
Результаты исследования. Показано, каким образом угол атаки определяет силы (подъемную и лобового сопротивления) и момент поперечных сечений балочных мостов типовых форм. Полученные расчетные зависимости относятся к пролетным строениям на стадиях монтажа (без плиты перекрытия и ограждений, без ограждений) и эксплуатации в условиях модельных набегающих потоков — гладкого и турбулентного. Это позволяет очертить границы для более взвешенных оценок аэродинамических характеристик балочных мостов в реальном ветровом потоке. Лобовое сопротивление сечению демонстрирует наилучшее согласование с опытными данными. Величина подъемной силы более чувствительна к наличию и протяженности отрывных зон, поэтому ее расчетное определение менее точно. Наиболее проблемным для большинства конфигураций является воспроизведение влияния угла атаки на аэродинамический момент сечения.
Обсуждение и заключения. Сравнение расчетных и опытных данных свидетельствует о применимости URANS-подхода к оперативному предсказанию аэродинамических характеристик однобалочных пролетных строений. Если же речь идет о многобалочных пролетных строениях, существенную роль играет аэродинамическая интерференция между отдельными балками. В этом случае вместо URANS-подхода следует применять более точные вихреразрешающие методы. Полученные результаты могут быть использованы в исследованиях аэродинамики сооружений и в практике проектных организаций в сфере транспортного строительства.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.