桥梁抗风性能仿真

利用CFD-ACE进行桥梁抗风性能仿真

一、计算实例简述

本计算实例为重型支援桥假设时三个阶段的风桥耦合仿真。 其模型结构如图所示：

图1.1位重型支援桥某工作状态模型

前期使用GEOM软件进行模型建立，网格划分等工作，并把此计算案例分为三个域进行计算：1号域为桥体本身；2号域为桥体附近的空气流域；3号域为桥体远方的空气流域。

为了提高计算效率以及计算精确度，则需要在1号和2号域中网格相比3号域中更为精密。下图为三个域的示意图。

图1.2域1 和域2示意图

其中如图1.2所示，实体桥结构内部为1号域，桥体周围的立方六面体（紫色六面体）到桥表面之间的空间为2号域。

图1.3 3号域示意图

3号域为最大的立方六面体到中间的立方六面体之间的空间。

二、操作界面介绍

打开CFD-ACE，其工作界面如下图所示：

图2 CFD-ACE软件工作界面

其主要分为菜单区、实体（域）显示区域、设置面板、操作对象选择区等

四个部分。

1.菜单区

File、Edit、View、Units、Tool、Windows分别为基本操作的操作菜单。

为文件打开、存储、撤销快捷按钮。

为控制模型显示方式

的选项按钮，其中可选择模型的可视角度、透明度、阴影等。

为CFD-ACE计算过程中

对计算仿真过程或者结果操作的按钮。其功能有时时观察收敛曲线、打开与其关联的CFD-VIEW软件等。

图2.1.1菜单区工作界面

2.实体（域）显示区域

图2.2.1实体（域）显示区域

其操作方式主要为鼠标操作，其中鼠标左键功能为拖动，鼠标右键功能为旋转，滚轮功能为放大。 同时可以通过此区域进行操作对象的选择。

3.操作对象区域

此区域为操作对象选择区域，方便对其进行选择，选择后，被选部分会在实体显示区域显示。然后进行相关操作。

图2.3.1操作对象选择区域

4.设置面板

设置面板如下图所示，其主要作用是设置各工况下的计算设置，从而进行合理的仿真计算。

图2.4.1设置面板

三、计算实例设置方法

下面开始介绍上述计算实例的计算设置方法。设置过程大致流程为：在实

体显示区域或者对象区域选择对象，然后在设置面板完成设置，最后进行计算。其具体步骤如下。

1、打开CFD-ACE软件，读取此实例中的模型文件。

操作：点击File菜单--->选择open--->打开相应文件,或者直接点击

图3.1.1 打开open

图3.1.2选择打开文件

图3.1.3 打开文件后的界面

2、选择设置面板中的PT选项，其结果如图3.2.1。

图3.2.1 PT设置版面

PT（problem type）为问题类型设置面板，跟据特定的仿真实例选择相应的计算模块，进而求解。 其中，Flow为流体动力学模块； Heat Transfer为传热辐射模块；Turbulence为湍流模块；Chemistry/Mixing(chem)为化学模块；Radiation（Rad）为辐射模块；Spray为喷雾/颗粒模块；Free Surfaces（VOF）为自由液面模块；Two-Fluid（Fluid2）为两相流模块；Stress为结构动力学模块；Grid Deformation为网格形变模块；Plasma为等离子体模块；Electric为电模块；Magnetic为电磁模块。

根据不同的问题，需要选择相应的计算模块进行求解，针对本算例我们用到了Flow流体动力学模块、Turbulence湍流模块、Stress为结构动力学模块，所以需要的操作时在此三个模块前面打勾选中 ，如图3.2.1所示。

3、选择设置面板中的MO选项，其结果如图3.3.1。

图3.3.1 MO设置面板

MO(model option)为模型选项，主要设置相关模型的参数，根据前面PT设置中所选的模块，此算例的MO中会出现shared、flow、turb和stress四个设置分类，如图3.3.1所示。 3.1 shared设置

shared为公共参数设置 ，可设置描述收敛的标题名称，时间参数等。

图3.3.1.1 时间参数设置

如图3.3.1.1 所示，此为时间参数的设置，若算例为瞬态，则需要加上时间参数，则需要在transient conditions中的time dependence选择 transient。 然后出现下图3.3.1.2所示菜单。

图3.3.1.2 时间参数设置版面

其中在No. of steps中加入迭代计算步数，在Time Step中输入时间单位的时间长度。 3.2 Flow设置

Flow为模型的流体设置，其设置面板如图3.3.2.1所示。

图3.3.2.1Flow设置面板

针对此计算案例，只需在Flow设置面板中的Reference Pressure中输入算例模型中实际环境的表面大气压力，其为一个atm，故输入100000。其余则不选择。

3.3 Turb设置

图3.3.3.1为Turb设置面板

Turb设置中主要选择湍流模型，和Wall的功能。

其中Turbulence Model中有如下模型选择，按照算例的计算理论，我们需选择K-Epsilon湍流模型计算。

图3.3.3.2 Turbulence Model菜单

Wall Function中，我们选择Standard Wall，如图3.3.3.3所示。

图3.3.3.3 Wall Function菜单

3.4 Stress设置

图3.3.4.1Stress面板

根据本算例计算理论，Analysis应选择Linear，Element Order选择First。如下图所示。

图3.3.4.2Analysis菜单

图3.3.4.3Element Order菜单

4、选择设置面板中的VC选项

图3.4.1 VC设置面板

VC（volume conditions）为体/域设置，主要针对不同域中流体、湍流、应力以及自身属性进行设置。

VC Setting Mode中菜单如图3.4.1所示，针对此算例，我们只需要对算例中三个域的Properties和Stress进行设置。 4.1Properties设置

首先选择Properties，然后点击三个域进行设置。 点击选中其中的一个域。

然后右键单击，则出现以下菜单，

通过此菜单可进行相关基本操作，如给不同的域进行命名等操作，点击Proterties，则又会出现以下窗口，点击OK则完成操作。

同时，VC设置版面则会出现你选择域的Properties设置：

我们选择的2号和3号域，在本案例中，2号和3号域同为空气流体域，所以将两个域同时设置，设置其Properties设置为Fluid，将Fluid Subtype 设置为Gas。

Material中的Property Sources中可从软件数据库中选择，也可以用户自定义，这里我们选择数据库选择，即Import From Database。

Gas Material Name从数据库选择Air，如下图所示。

当设置好流域属性后，则会出现流体的物理和流体参数，如果不符合算例要求，用户可进行修改，如下图所示。viscosity为粘性

对于1号域，其设置同理如下图所示。

4.2 Stress设置

由于应力模块在本算例中只在1号域的桥梁实体中体现，所以只需进行设置1号域中的Stress部分。

选择VC Setting Mode中的Stress，然后选中一号域，则出现以下设置面板。activate stress 激活压力

5、选择设置面板中的BC选项

BC(boundary conditions)为边界条件设置，主要设置计算边界的参数。针对本算例需要设置以下五个部分：入口、出口、桥体、边界、固定点。 针对对象选择区域元素较多，所以我们首先应该将其进行分类，分为入口、出口、桥体、边界、固定点五个部分。 首先选择同类元素，然后点击

按钮进行打包归类，如下图所示。

打包后为：

5.1 入口设置

模型中入口示意图如下图所示：

在对象区选择入口对象，然后转入到BC设置面板，如下图所示。

BC Setting Mode中选择General。由于是入口设置，所以针对入口则设置BC Type 设置为Inlet。

入口的参数设置分为两部分，分别为Flow流体和Turb湍流。 5.1.1 入口Flow设置

主要分为三个部分：压力参数设置、温度参数设置、入口流速设置。 压力设置如图：

温度参数设置如图：

摄氏度=卡尔文-273.15 26.85

根据入口处实际流速分别向xyz 三个坐标系进行投影，将三个方向的速度分量进行设置。如下图所示。

每个方向上可具体选择速度的类型，可以设置恒定风，梯度风、脉动风或者根据计算实际情况进行相应的用户设定。如下图所示：

5.1.2入口Turb设置

根据该算例选择使用的湍流模型（k-epsilon），设置以下参数。

kinetic energy 湍流动能

dissiptation rate 耗散率：湍流能量通过分子粘滞作用转换为热能的速率。白天对流典型值为0.01到0.001，夜间则为0.0001到0.000001 5.2 出口设置 出口示意图如下：

选择出口对象，然后将其BC Type设置为Outlet。同时由于为出口设置，其出口速度以及湍流参数都对本算例计算结果无影响，所以都设置为0，具体设置如下图所示。

5.3 边界设置

边界为3号域最外延除去入口和出口的部分，如下图红色部分所示：

选择边界，然后将BC Type设置为 Wall，由于靠近边界处的流体可忽略不计，所以不进行相应的参数设置。其设置都保持默认。

5.4 桥实体设置

桥实体如上图所示部分，选中后其BC设置面板如图所示，BC Setting Mode设置为General，BC Type 设置为Interface。

5.4.1 Flow和Turb设置

由于是桥实体，所以其Flow以及Turb菜单无需设置。 5.4.2 Stress设置

在Sub Type中选择Load，将Applied Pressure选中，同时选中Implicit Pressure 和 Implicit Shear Stress，如上图所示。

5.5 Interface设置

Interface是指2号域和3号域之间的接触面，如图所示为红色立方六面体表面。由于其为两种大小网格的过渡面，不是实际的计算边界，所以不需要做任何设置。只需将其选中，将其BC Type设置为Interface。

5.6 桥梁固定部分的设置

根据本算例实际情况，桥梁中有几个部分为固定点，即在风场中其形变、位移、挠度等都不会随着风流体的加载作用而改变，所以需要对这部分进行特殊设置。

选中固定部分，将其BC Type选择为Interface。

其Flow和Turb部分设置原理和操作与桥实体设置相同：

Stress设置如下图所示，Sub Type选择Prescribed Displacement，根据本算例要求，需要固定三个维度上位移，所以将Fixed X-Displacement 、Fixed Y-Displacement 、Fixed Z-Displacement选中，同时用户可根据实际情况设置特殊大小的位移，填入Delta X Y Z中的数值中。

6、选择设置面板中的IC选项

IC（initial conditions）为初始条件设置，主要设置计算初始参数。 具体操作如下：

1、将Initial Conditions设置为User Specified；IC Applied

选择为 Volume by Volume。

2、 由于2号域和3号域都为空气流体域，所以两者可以共同设置，同时选择2号和3号域。

需要对其进行Shared、Flow、Turb三部分设置，其设置方法与边界条件设置中的入口设置相同，如下图所示：

3、选择1号域。

Shared设置面板为

Stress设置面板为：

备注：如果计算需要从已有的计算结果开始计算则需要将Initial Conditions设置为Previous Solution，同时选择上Append Residual File 和Append Output File，然后在Restart Filename中添加初始计算文件，如下图所示

7、选择设置面板中的SC选项

SC(solver control)为计算控制设置，其主要调节计算步数，收敛标准，松弛因子等计算参数，通过设定，可以根据不同的算例得到准确的模拟仿真结果。SC设置主要分为：Iter Spatial Solvers Relax Limis Adv 。因为本算例无需设置过多下面只介绍Iter和Relax两个设置方法，其余设置均保持默认就能达到本算例的计算要求。

Iter设置面板如下，主要设置最大计算迭代步数，和收敛标准，根据本算例实际情况我们设置Max. Iterations为10000步，Convergence（收敛）Crit为0.001， Min. Residual（残余误差） 为 1E-08。

Relax设置面板如下，其主要是调节松弛因子，当收敛曲线收敛不明显时可进行调节松弛因子，如下图，如果将箭头都向上调节，则收敛性就会改善。

8、选择设置面板中的OUT选项

OUT为输出设置，主要控制仿真计算结果的输出控制，其中菜单包含如下图所示 。

由于本算例输出设置只涉及General、Graphic两部分，所以针对此两部分进行讲解。

General设置版面如图，Output By设置为Iteration；Interval Options设置为Specified Interval（固定间隔）；由于本算例需要对没间隔100步进行结果分析，所以选中Unique File；设置Every 为100。

Graphic为输出结果控制，其输出结果主要分为Shared 、Flow、Turb、Stress四个部分，通过选择使得仿真输出相应结果，具体操作为在相应输出结果前打钩选中。针对本算例则需要输出以下结果。

9、选择设置面板中的RUN选项

其版面如下图所示，在此设置版面中，控制仿真计算的运行，有开始、暂停、终止、观察其收敛曲线、输出结果等功能。

如果计算单一可使用多处理器计算，操作如下：选择Parallel Run、Decompose、Multilevel Graph Partition；MPI Library选择PC-MPI；处理器数目根据实际情况填入，下图为9。

一切设置好以后，可点击计算。

进行