Численное моделирование поперечного обтекания пролетных строений балочных мостов

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.

1. Симиу, Э. Воздействие ветра на здания и сооружения / Э. Симиу, Р. Сканлан. — Москва : Стройиздат, 1984. — 360 с.

2. Paidoussis, M.-P. Fluid-structure interactions: cross-flow-induced instabilities / M. - P. Paèidoussis, S.-J. Price, E. de Langre. — New York : Cambridge University Press, 2011. — 402 p.

3. Kavrakov, I. A synergistic study of a CFD and semi-analytical models for aeroelastic analysis of bridges in turbulent wind conditions / I. Kavrakov, G. Morgenthal // Journal of Fluids and Structures. — 2018. — Vol. 82. — P. 59–85.

4. Spalart, P.-R. Young person’s guide to detached-eddy simulation grids [Электронный ресурс] / P.-R. Spalart ; NASA CR-2001-211032 ; Boeing Commercial Airplanes. — Режим доступа: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20010080473.pdf (дата обращения: 05.09.18).

5. Monkewitz, P. A. Absolute instability in the near-wake of two-dimensional bluff bodies / P. A. Monkewitz, L. N. Nguyen // Journal of Fluids and Structures. — 1987. — Vol. 1, iss. 2. — P. 165–184.

6. Bruno, L. Analysis of the separated flow around a 5:1 rectangular cylinder through computational simulation [Электронный ресурс] / L. Bruno, N. Coste, D. Fransos // Fifth European & African Conference on Wind Engineering : proc. — Florence, 2009. — Режим доступа: http://www.iawe.org/Proceedings/5EACWE/115.pdf (дата обращения: 05.09.18).

7. On the evaluation of bridge deck flutter derivatives using RANS turbulence models / F. Brusiani [et al.] // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. — 2013. — Vol. 119. — P. 39–47.

8. Recommendations on the use of CFD in wind engineering [Электронный ресурс] / J. Franke [et al.] // ResearchGate. — Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/257762096_Recommendations_on_the_use_of_CFD_in_predicting_pedestrian_wind_environment (дата обращения: 05.09.18).

9. Белостоцкий, А. М. Численное моделирование задач строительной аэродинамики. Разработка методик и исследования реальных объектов / А. М. Белостоцкий, С. И. Дубинский, И. Н. Афанасьева // International Journal of Computational Civil and Structural Engineering. — 2010. — Т. 6, №1/2. — C. 67– 69.

10. Вычислительная аэродинамика строительных сооружений. Задачи и методы / С. В. Гувернюк [и др.] // Вестник МГСУ. — 2011. — Т. 2, № 2. — С. 113–119.

11. ОДМ 218.2.040—2014. Отраслевой дорожный методический документ. Методические рекомендации по оценке аэродинамических характеристик сечений пролетных строений мостов / Новосибир. гос. техн. ун-т ; Федеральное дорожное агентство (Росавтодор). — Москва : Изд-во ФГУП «Информавтодор», 2014. — 87 с.

12. Саленко, С. Д. Аэродинамические исследования типовых многобалочных конструкций / С. Д. Саленко, Ю. А. Гостеев, А. Д. Обуховский // Теплофизика и аэромеханика. — 2013. — Т. 20, № 4. — С. 451–460.