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

背景技術(shù)：

1、隨著橋梁工程的不斷發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)的設計、建造和維護面臨著越來越復雜的環(huán)境因素影響。其中風和溫度是對橋梁產(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。在實際環(huán)境中，尤其是艱險山區(qū)這樣的復雜地形中存在復雜的大氣動力與熱力相耦合的過程。氣壓會受到溫度影響而發(fā)生變化，熱空氣上升、冷空氣下降，氣壓差導致風的形成，同時風又影響溫度的高低從而影響氣壓的大小，因此形成環(huán)境中的風溫耦合作用。并且艱險山區(qū)大多地勢陡峭、地形起伏大從而使得相鄰山谷之間具有顯著高差，同時由于地貌多樣，綜合導致其風場和溫度場分布特性極為復雜。對于橋梁結(jié)構(gòu)而言，自然環(huán)境下溫度場主要通過對流換熱、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)由于受到約束導致溫致效應(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。風場則是直接作用于結(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)附近的風場分布情況，進而影響結(jié)構(gòu)表面的對流換熱過程。因此，忽略真實的地形條件及環(huán)境中的風溫耦合作用，可能導致模擬結(jié)果與實際情況間存在較大偏差，從而不能反映結(jié)構(gòu)真實響應。

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

3、cn114139263a公開了一種考慮橋面局部風場的橋梁風溫耦合數(shù)值模擬方法，通過熱邊界層理論公式，計算橋梁結(jié)構(gòu)表面熱邊界層的高度；通過風場模型，求解熱邊界層高度處風速；通過最小二乘法擬合橋梁入口風速和熱邊界層高度處風速數(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；建立橋梁風溫耦合數(shù)值模型，擬合橋梁風溫耦合數(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。該方法存在以下技術(shù)缺點：

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

5、(2)風場模型不夠真實、準確：對于結(jié)構(gòu)風場的模擬，并未考慮真實環(huán)境因素(如溫度與風場間的耦合作用)及地形的影響，風場模型入口風剖面不真實，不能反映真實風場分布。

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

技術(shù)實現(xiàn)思路

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

2、(1)獲取真實、準確、詳細的環(huán)境溫度、風速：先通過wrf模式模擬得到所需時間及區(qū)域的真實中尺度環(huán)境溫度、風速；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、風速結(jié)果進行最小二乘法擬合得到，并且擬合過程中根據(jù)入口面地形走勢進行分塊擬合，提高模擬準確性；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、合理，進而驅(qū)動小尺度模型運算求解，可以得到真實的、模擬域任意位置處的環(huán)境風場、溫度場。以上過程考慮了真實地形因素、真實環(huán)境風溫耦合過程。

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

4、具體技術(shù)方案為：一種考慮真實地形的降尺度橋梁風溫耦合數(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算區(qū)域，采用多層網(wǎng)格嵌套以提高計算精度。

6、采用3層雙向嵌套網(wǎng)格(d01、d02、d03)方案進行模擬，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。計算域垂向網(wǎng)格層數(shù)設置為50層，模式中頂層氣壓設置為5000pa，中尺度模式中默認底層氣壓為1000pa。在1km以下進行垂向網(wǎng)格加密，設置14層加密網(wǎng)格，最底層網(wǎng)格高度為25m；

7、時間積分步長設置為1s，模擬時的地圖投影選用lambert投影方案。

8、(2)獲取地形靜態(tài)數(shù)據(jù)和初始氣象場數(shù)據(jù)，配置物理方案。

9、在wrf模式計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)和初始氣象場數(shù)據(jù)，通過模式內(nèi)置的積分與插值程序得到計算區(qū)域內(nèi)的完整三維初始數(shù)據(jù)。初始氣象場的數(shù)據(jù)需選取目標模擬時段的文件，在wrf模式中進行加載。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)，將其導入globalmapper軟件中進行切片處理，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)三維坐標形式。在加載于小尺度模型前需進行空間坐標轉(zhuǎn)換，公式如下(1)～(2)所示。進而采用三維建模軟件rhino建立地形曲面。

13、

14、式中是wgs84坐標系中的經(jīng)緯度坐標，(x，y)是mercator投影坐標系中的坐標，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體模型。

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

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

18、(5)通過中尺度模型，采用cressman插值法提取入口風速、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速、溫度函數(shù)。

19、cressman插值法計算公式如下：

20、

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

22、針對所提取的數(shù)據(jù)采用最小二乘法進行函數(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、溫場及結(jié)構(gòu)響應。

26、使用ansys軟件對幾何模型進行網(wǎng)格劃分。將幾何模型導入ansys軟件中，在spaceclaim模塊中進行幾何模型的進一步處理，首先對模型的面質(zhì)量進行檢查及修復，然后在流體與固體兩接觸面間建立數(shù)據(jù)耦合交互，再對邊界面進行分組，而后進入fluentmeshing模塊中進行網(wǎng)格劃分。整個模型采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對地形邊界及橋塔結(jié)構(gòu)及附近流體域進行網(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，入口邊界條件設置時選用速度入口(velocity-inlet)及溫度入口(temperature-inlet)，其初始信息通過擬合的入口面風速、溫度函數(shù)編寫udf(user?define?function，即用戶自定義函數(shù))程序進行讀取來設置。流體在出口處視作得到充分發(fā)展，將計算模型的北面設置為壓力出口邊界(pressure-outlet)。計算模型的地面及橋塔結(jié)構(gòu)表面設置為無滑移壁面邊界(non-slip?wall)；模型頂面及東西兩側(cè)邊界面設置為對稱邊界(symmetry)。

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

29、計算選擇適用于低速不可壓流動的壓力基穩(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格式，選擇標準壁面函數(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，得到了所需時間及區(qū)域的真實中尺度環(huán)境溫度、風速，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、合理，進而驅(qū)動小尺度模型運算求解。

32、通過cfd方法，根據(jù)真實橋梁結(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、風速結(jié)果進行最小二乘法擬合得到，并且擬合過程中根據(jù)入口面地形走勢進行分塊擬合，一定程度上解決在模型入口設置時一般存在的地表風速過高及風速值缺失的邊界風速失真問題，提高模擬準確性。

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