本發(fā)明提供一種考慮真實(shí)地形的降尺度橋梁風(fēng)溫耦合數(shù)值模擬方法，屬于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

1、隨著橋梁工程的不斷發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)面臨著越來越復(fù)雜的環(huán)境因素影響。其中風(fēng)和溫度是對(duì)橋梁產(chǎn)生不利作用的主要環(huán)境因素，顯著影響著橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。在實(shí)際環(huán)境中，尤其是艱險(xiǎn)山區(qū)這樣的復(fù)雜地形中存在復(fù)雜的大氣動(dòng)力與熱力相耦合的過程。氣壓會(huì)受到溫度影響而發(fā)生變化，熱空氣上升、冷空氣下降，氣壓差導(dǎo)致風(fēng)的形成，同時(shí)風(fēng)又影響溫度的高低從而影響氣壓的大小，因此形成環(huán)境中的風(fēng)溫耦合作用。并且艱險(xiǎn)山區(qū)大多地勢(shì)陡峭、地形起伏大從而使得相鄰山谷之間具有顯著高差，同時(shí)由于地貌多樣，綜合導(dǎo)致其風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布特性極為復(fù)雜。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)而言，自然環(huán)境下溫度場(chǎng)主要通過對(duì)流換熱、輻射換熱(兩不同溫度且互不接觸的物體間通過電磁波進(jìn)行熱量交換的過程)與結(jié)構(gòu)發(fā)生熱傳遞，結(jié)構(gòu)由于受到約束導(dǎo)致溫致效應(yīng)(不均勻溫差引起的結(jié)構(gòu)變形)的產(chǎn)生，從而可能使結(jié)構(gòu)發(fā)生過大的變形，甚至開裂。風(fēng)場(chǎng)則是直接作用于結(jié)構(gòu)表面，并且極易受到地形環(huán)境的影響，從而影響著結(jié)構(gòu)附近的風(fēng)場(chǎng)分布情況，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)表面的對(duì)流換熱過程。因此，忽略真實(shí)的地形條件及環(huán)境中的風(fēng)溫耦合作用，可能導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況間存在較大偏差，從而不能反映結(jié)構(gòu)真實(shí)響應(yīng)。

2、為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下橋梁在風(fēng)溫耦合作用下的響應(yīng)分析，發(fā)展一種考慮真實(shí)地形的降尺度橋梁風(fēng)溫耦合數(shù)值模擬方法尤為重要。

3、cn114139263a公開了一種考慮橋面局部風(fēng)場(chǎng)的橋梁風(fēng)溫耦合數(shù)值模擬方法，通過熱邊界層理論公式，計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)表面熱邊界層的高度；通過風(fēng)場(chǎng)模型，求解熱邊界層高度處風(fēng)速；通過最小二乘法擬合橋梁入口風(fēng)速和熱邊界層高度處風(fēng)速數(shù)據(jù)，得到折減系數(shù)；獲取橋址區(qū)環(huán)境溫度和橋梁熱輻射值；建立橋梁風(fēng)溫耦合數(shù)值模型，擬合橋梁風(fēng)溫耦合數(shù)值模型的參數(shù)；使用有限元方法求解橋梁結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)。該方法存在以下技術(shù)缺點(diǎn)：

4、(1)溫度獲取成本高、不夠真實(shí)：對(duì)于環(huán)境的溫度的獲取，很大程度上依賴于理論公式，并且需要實(shí)測(cè)日最高、日最低溫度，溫度樣本密度低，不能反映真實(shí)溫度物理場(chǎng)。

5、(2)風(fēng)場(chǎng)模型不夠真實(shí)、準(zhǔn)確：對(duì)于結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)的模擬，并未考慮真實(shí)環(huán)境因素(如溫度與風(fēng)場(chǎng)間的耦合作用)及地形的影響，風(fēng)場(chǎng)模型入口風(fēng)剖面不真實(shí)，不能反映真實(shí)風(fēng)場(chǎng)分布。

6、(3)結(jié)構(gòu)溫致效應(yīng)分析不夠精確：采用該技術(shù)獲取結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)后，還需要提取溫度荷載再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，此過程中只能提取有限的離散溫度荷載邊界，荷載場(chǎng)提取點(diǎn)不夠全面；未考慮荷載場(chǎng)與結(jié)構(gòu)的雙向耦合作用，僅能體現(xiàn)溫度荷載場(chǎng)單向作用于結(jié)構(gòu)的結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種考慮真實(shí)地形的降尺度橋梁風(fēng)溫耦合數(shù)值模擬方法，本所要解決的技術(shù)問題：

2、(1)獲取真實(shí)、準(zhǔn)確、詳細(xì)的環(huán)境溫度、風(fēng)速：先通過wrf模式模擬得到所需時(shí)間及區(qū)域的真實(shí)中尺度環(huán)境溫度、風(fēng)速；通過cfd方法，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)及地形建立小尺度模型，其中入口邊界條件通過提取中尺度中的溫度、風(fēng)速結(jié)果進(jìn)行最小二乘法擬合得到，并且擬合過程中根據(jù)入口面地形走勢(shì)進(jìn)行分塊擬合，提高模擬準(zhǔn)確性；中尺度模型模擬區(qū)域足夠大，使得小尺度模型入口條件更為真實(shí)、合理，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)小尺度模型運(yùn)算求解，可以得到真實(shí)的、模擬域任意位置處的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)。以上過程考慮了真實(shí)地形因素、真實(shí)環(huán)境風(fēng)溫耦合過程。

3、(2)考慮了荷載場(chǎng)與結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)雙向耦合：在小尺度模型中，考慮了環(huán)境與結(jié)構(gòu)的雙向耦合，從而在進(jìn)行計(jì)算時(shí)可以同時(shí)考慮環(huán)境的風(fēng)溫耦合作用及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，不需要先計(jì)算出環(huán)境場(chǎng)再加載于結(jié)構(gòu)上，提高計(jì)算準(zhǔn)確性，降低模擬工作的冗雜性。

4、具體技術(shù)方案為：一種考慮真實(shí)地形的降尺度橋梁風(fēng)溫耦合數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：

5、(1)根據(jù)橋梁地理位置確定中尺度模型的計(jì)算區(qū)域，采用多層網(wǎng)格嵌套以提高計(jì)算精度。

6、采用3層雙向嵌套網(wǎng)格(d01、d02、d03)方案進(jìn)行模擬，由外到內(nèi)網(wǎng)格水平分辨率分別為9km、3km、1km，即最外層d01網(wǎng)格格距為9km。計(jì)算域垂向網(wǎng)格層數(shù)設(shè)置為50層，模式中頂層氣壓設(shè)置為5000pa，中尺度模式中默認(rèn)底層氣壓為1000pa。在1km以下進(jìn)行垂向網(wǎng)格加密，設(shè)置14層加密網(wǎng)格，最底層網(wǎng)格高度為25m；

7、時(shí)間積分步長設(shè)置為1s，模擬時(shí)的地圖投影選用lambert投影方案。

8、(2)獲取地形靜態(tài)數(shù)據(jù)和初始?xì)庀髨?chǎng)數(shù)據(jù)，配置物理方案。

9、在wrf模式計(jì)算過程中首先需要輸入兩類初始數(shù)據(jù)，即地形靜態(tài)數(shù)據(jù)和初始?xì)庀髨?chǎng)數(shù)據(jù)，通過模式內(nèi)置的積分與插值程序得到計(jì)算區(qū)域內(nèi)的完整三維初始數(shù)據(jù)。初始?xì)庀髨?chǎng)的數(shù)據(jù)需選取目標(biāo)模擬時(shí)段的文件，在wrf模式中進(jìn)行加載。行星邊界層方案采用ysu方案，采用rrtm長波輻射方案，dudhia短波輻射方案，goddard微物理過程方案，betts-miller-janjic積云對(duì)流參數(shù)化方案，monin-obukhov(修正的mm5)近地面參數(shù)化方案，noah陸面過程方案，其中僅第一層網(wǎng)格開啟積云對(duì)流方案。

10、(3)通過三維建模軟件建立小尺度模型的幾何模型。

11、小尺度模型中的幾何模型分為地形模型與結(jié)構(gòu)模型。

12、地形模型的建立過程如下：獲取橋址區(qū)域的數(shù)字高程模型(dem，digitalelevation?model)，將其導(dǎo)入globalmapper軟件中進(jìn)行切片處理，得到小尺度模擬域的地形數(shù)據(jù)信息。小尺度模型采用(x，y，z)三維坐標(biāo)形式。在加載于小尺度模型前需進(jìn)行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，公式如下(1)～(2)所示。進(jìn)而采用三維建模軟件rhino建立地形曲面。

13、

14、式中是wgs84坐標(biāo)系中的經(jīng)緯度坐標(biāo)，(x，y)是mercator投影坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，r是地球的平均半徑，e為地球橢球體第一偏心率。

15、結(jié)構(gòu)模型是通過三維建模軟件rhino根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何信息建立出的實(shí)體模型。

16、(4)根據(jù)小尺度模型計(jì)算域入口面形態(tài)，進(jìn)行擬合塊劃分及提取點(diǎn)規(guī)劃。

17、在進(jìn)行中尺度模型結(jié)果的提取時(shí)，先根據(jù)地形走勢(shì)及小尺度模型入口面區(qū)域大小進(jìn)行擬合塊劃分及提取點(diǎn)規(guī)劃。

18、(5)通過中尺度模型，采用cressman插值法提取入口風(fēng)速、溫度數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合，得到小尺度模型入口面風(fēng)速、溫度函數(shù)。

19、cressman插值法計(jì)算公式如下：

20、

21、式中，wij為插值點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)間的權(quán)重，dij為插值點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)間的歐氏距離，d為階躍函數(shù)躍度閾值，vi表示插值點(diǎn)的插值結(jié)果，vj表示樣本點(diǎn)的觀測(cè)值，n表示樣本點(diǎn)數(shù)。

22、針對(duì)所提取的數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行函數(shù)逼近，從而獲得入口面的擬合函數(shù)。最小二乘法實(shí)現(xiàn)過程如下：

23、已知數(shù)據(jù)α0(x)，α1(x)，…，αn(x)，要在的函數(shù)類中找出使得如式(5)所示的誤差平方和最小的函數(shù)求得的函數(shù)為該函數(shù)類在此組數(shù)據(jù)下的最小二乘解。

24、

25、(6)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)材料特性，載入幾何模型及入口面風(fēng)速、溫度函數(shù)，使用cfd方法建立小尺度模型，并求解環(huán)境風(fēng)、溫場(chǎng)及結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

26、使用ansys軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將幾何模型導(dǎo)入ansys軟件中，在spaceclaim模塊中進(jìn)行幾何模型的進(jìn)一步處理，首先對(duì)模型的面質(zhì)量進(jìn)行檢查及修復(fù)，然后在流體與固體兩接觸面間建立數(shù)據(jù)耦合交互，再對(duì)邊界面進(jìn)行分組，而后進(jìn)入fluentmeshing模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)模型采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)地形邊界及橋塔結(jié)構(gòu)及附近流體域進(jìn)行網(wǎng)格加密。地形表面第一層網(wǎng)格高度為0.1m，邊界層增長率為1.1。

27、使用cfd軟件fluent建立小尺度模型，入口邊界條件設(shè)置時(shí)選用速度入口(velocity-inlet)及溫度入口(temperature-inlet)，其初始信息通過擬合的入口面風(fēng)速、溫度函數(shù)編寫udf(user?define?function，即用戶自定義函數(shù))程序進(jìn)行讀取來設(shè)置。流體在出口處視作得到充分發(fā)展，將計(jì)算模型的北面設(shè)置為壓力出口邊界(pressure-outlet)。計(jì)算模型的地面及橋塔結(jié)構(gòu)表面設(shè)置為無滑移壁面邊界(non-slip?wall)；模型頂面及東西兩側(cè)邊界面設(shè)置為對(duì)稱邊界(symmetry)。

28、進(jìn)行結(jié)構(gòu)壁面邊界與空間域的fsi(fluid?structure?interaction，流固耦合)定義。

29、計(jì)算選擇適用于低速不可壓流動(dòng)的壓力基穩(wěn)態(tài)求解器，湍流模型及湍流求解方案選擇sst?k-ω及simplec算法，離散格式選擇二階迎風(fēng)格式，選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

30、本發(fā)明具有的技術(shù)效果：

31、通過wrf模式建立中尺度模型，考慮了真是環(huán)境地形及豐富的氣象物理方案，得到了所需時(shí)間及區(qū)域的真實(shí)中尺度環(huán)境溫度、風(fēng)速，并且由于中尺度模型模擬區(qū)域足夠大，使得小尺度模型入口條件更為真實(shí)、合理，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)小尺度模型運(yùn)算求解。

32、通過cfd方法，根據(jù)真實(shí)橋梁結(jié)構(gòu)及地形建立了小尺度模型，入口邊界條件通過提取中尺度模型中的溫度、風(fēng)速結(jié)果進(jìn)行最小二乘法擬合得到，并且擬合過程中根據(jù)入口面地形走勢(shì)進(jìn)行分塊擬合，一定程度上解決在模型入口設(shè)置時(shí)一般存在的地表風(fēng)速過高及風(fēng)速值缺失的邊界風(fēng)速失真問題，提高模擬準(zhǔn)確性。

33、在小尺度模型中，考慮了環(huán)境與結(jié)構(gòu)的雙向耦合，從而在進(jìn)行計(jì)算時(shí)可以同時(shí)得到環(huán)境的風(fēng)溫耦合作用結(jié)果及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，提高模擬真實(shí)性，降低模擬工作的冗雜性。