侯涛 刘妍妍

数值模拟是研究复杂山区风特性的重要方法之一。为了研究地形模型的尺度对山区桥址区风特性的影响，以西部山区某大跨度悬索桥桥址区为工程背景，建立了以桥位为中心的50 km×50 km的大尺度模型和10 km×10 km的小尺度模型，采用CFD数值模拟的方法，研究了地形模型的尺度对桥址区平均风速和风向角的影响。结果表明：地形模型的尺度对桥址区平均风速的影响十分显著。当来流由小尺度地形模型边界输入时，地势平坦，气流沿河道吹来，桥位上游的风向与入口风向基本平行，桥位风速较高。而当来流由大尺度地形模型边界输入时，由于山体的阻挡，桥位上游的来流风向近似平行于峡谷走向，桥位处风速明显减小，跨中减小幅度约为25%。2种模型在桥位处的气流流向相似，地形模型的尺度对桥位处的风向角的影响相对较小。

复杂山区； 风特性； 数值模拟； 尺度效应； 桥址区

U442.4 A

［定稿日期］2022-02-22

［作者简介］侯涛（1982—），男，硕士，副教授，研究方向为市政、桥梁、城市轨道设计与施工; 刘妍妍（1987—），女，硕士，工程师，研究方向为结构工程。

风致灾害在自然界中十分普遍。大跨度桥梁的柔度较大，在风荷载作用下易出现对结构不利的振动，抗风设计已成为大跨度桥梁设计的重要控制因素之一，而精确地获取桥址区的风特性是抗风设计研究的前提。

研究深切峡谷桥址区风特性主要有3种手段：现场实测、风洞试验和数值模拟。其中数值模拟与现场实测和风洞试验相比，在研究费用、时间等方面均具有优势，且具有可视化的优点。随着数值求解方法的发展和计算机性能的进步，数值模拟方法已逐步成为研究复杂地形风特性的的重要手段。胡朋［1］建立了理想峡谷的CFD数值模型，研究了不同峡谷夹角和不同峡谷高度下的平均风特性和脉动风速谱。Huang和Zhang［2］采用k-ω SST湍流模型对香港小蚝湾附近的风特性进行了研究，数值模拟结果与现场实测和风洞试验吻合良好。Maurizi等［3］建立了15 km×14 km的数值模型，采用k-ε湍流模型研究了近地风场，对比分析了网格尺寸及边界条件对风剖面的影响。Uchida和Ohya［4］采用大涡模拟的方法对9.5 km×5 km范围内的风场进行了模拟，并对其加速效应与流动分离进行了分析。

虽然利用数值模拟的方法研究山区风特性已经得到了广泛的应用，但是对于计算区域的选取并无明确的标准，且对地形模型的尺度效应研究较少。模拟中若选取的计算区域太小，则难以保证风场的充分发展，进而无法真实地反映桥址区的风特性。但是若计算区域过大，对计算机的性能又有很高的要求。目前的研究中对地形范围的选取比较任意，大多小于500 km2的地形范围，胡峰强［5］建立了以北盘江大桥为中心半径为2.4 km的数值模型，靖洪淼等［6］选取了以桥位为中心半径为5 km的圆形地形，祝志文等［7］选取了以乌江大桥为中心的6 m×10 km的地形范围，Nomura等［8］选取了以桥位为中心的8 km×8 km的地形范围，薛亚飞和刘志文［9］选取了以山西临猗黄河大桥为中心的10.8 km×9.0 km的地形范围。

本文以西部山区某大跨度悬索桥桥址区为工程背景，分别建立了以桥位为中心的50 km×50 km的大尺度模型和10 km×10 km的小尺度模型，采用CFD数值模拟的方法进行对比分析，研究地形模型的尺度对桥址区平均风特性的影响，可为复杂山区风特性数值的计算区域选取提供参考。

1 工程背景

某大跨度悬索桥为单塔单跨形式，主跨780 m。桥型布置如图1所示。桥址区群山环绕、层峦叠嶂、沟壑纵横、支流繁复，属于典型的山区峡谷地形，如图2所示。桥位上游和桥位处的河道发生连续大角度弯曲。总体而言，该桥位处地势起伏较大，地形狭窄，桥址区特有的复杂地形地貌对风特性可能产生较大影响。

2 数值模型

2.1 计算域的选取

本文选定以桥位为中心的50 km×50 km地形范围进行研究，计算区域投影面积达2 500 km2，远远超出之前的研究范围，可以更充分地考察桥址区的平均风特性。为了使计算域内的气流有充分的空间自由发展，避免边界效应带来的气流压缩，计算区域顶部高程设为10 000 m，满足计算要求。同时，还建立了以桥位为中心的10 km×10 km的模型进行对比分析，研究地形模型的尺度对桥址区平均风特性的影响。

2.2 网格划分

首先提取桥址区附近50 km×50 km范围内的高程信息，并对高程进行插值处理，生成三维地形点云，分辨率为100 m。对生成的三维地形点云曲面拟合后进行网格划分。为了保证网格质量，划分时均采用六面体结构化网格。在高度方向，由于主要研究的是桥面高度以下的平均风特性，所以在网格划分时距离地形表面越近网格越密，而海拔越高则越稀疏，首层网格高度为10 m。划分好的网格如图3所示，大尺度模型和小尺度模型计算区域最终共划分的网格总数分别为4 732 000和700 000。

2.3 边界条件

计算区域底面，即地形表面设置为无滑移壁面，顶面设置为对称边界；入口和出口边界分别设置为速度入口和压力出口。通过编译UDF将入口风速沿高度方向分段输入。在大气边界层内，风速随离地高度的增大而增大。偏安全地选用B类地表对应风剖面，所以地表粗糙度系数取为0.16。入口边界最高海拔为2 289.4 m，最低点高程为1 091 m，所以大气边界层高程定为2 639.4 m，梯度风高度为1 548.4 m。海拔2 639.4 m以下入口风速按照B類地表指数规律分布；当海拔超过2 369.4 m，风速不再受地面粗糙度的影响，达到梯度风速，设为50 m/s。风速分布如图4所示，跨中桥面高程为1 570 m，对应桥面高度处入口风速为41.4 m/s。

对于复杂山区地形下的桥梁抗风问题更关注其平均风特性，因此本文采用基于压力的稳态求解器进行计算。选用对流动分离具有较好解析度的SST k-ω湍流模型，采用二阶格式离散控制方程，应用SIMPLE算法解决N-S方程中压力-速度的耦合问题，对压力、动量方程、湍流耗散率和湍动能方程采用二阶迎风格式进行离散。

2.4 工况设置

复杂山区地形对风速的影响十分显著，风速、风向具有明显的区域特征。实际情况中，对桥梁抗风稳定性影响最大的是横桥向来流，桥址区的主导风向与桥轴线也接近垂直。因此，选取与桥轴线垂直的风向作为本研究的来流风向，如图5所示。

3 计算结果

风速和风向角是影响桥梁抗风稳定性最重要的参数。为了得到风特性沿桥轴线的分布，由西岸到东岸每1/8桥跨长度设置一个风速监测点，共9个。为了研究风速沿海拔高度的变化，分别在1/4跨、跨中、3/4跨沿高度方向设置了20个监测点，监测点覆盖了谷底至高空的1 400～1 500 m的海拔范围。1/4跨、跨中、3/4跨3组监测点的最低海拔分别为1 367 m、1 270 m和1 360 m。通过计算得到各风速测点的风速值，其中横桥向风速和顺桥向风速分别用u和v表示，风向角β的定义如式（1）所示。风向角正值代表来流从西吹向东，为负则代表来流从东吹向西。

β=tan-1v|u|（1）

3.1 风向角

图6给出了桥面高度水平剖面风向角的分布。从图6中可以看出，当来流由10 km×10 km的数值模型边界输入时，气流沿河道吹来，未受到明显的山体遮挡，来流运动轨迹与山势起伏接近，桥位上游的风向与入口风向基本平行，如图6（a）所示。当气流经过弯曲的河道、到达桥位处时，风向也仅发生了微小的变化，而经过桥位后流线四处分散。风向角沿竖向和桥跨方向的分布如图7所示。由于气流由西北方向吹来，所以风向角为正。风向角沿竖向分布呈“S”型，在桥面高度处较大；沿桥跨方向呈现两岸大、跨中小的趋势，且在跨中分布较均匀。

而对于大尺度模型来说，即来流由50 km×50 km的数值模型边界输入时，桥址区的风环境发生了改变。由于西侧存在连绵的山体，当来流充分发展流动至桥位上游处时，气流已经抬升至一定高度，再加上河道的改向，桥位上游的来流风向发生改变，不再与入口风向平行，而是近似平行于峡谷和河流走向，如图6（b）所示。气流由山顶向下俯冲至桥位，而后再汇集灌入下游河道中。来流经过桥位后，沿着河道向下游流动，流动较集中。

与小尺度模型计算相比，风向角沿竖向总体呈现减小的趋势。风向角在高空略有减小，但变化趋势保持一致；在近地面变化较大，而桥面高度处的影响最小。风向角沿跨向分布与小尺度计算结果相差不大，仅在左岸有所差异，这是由于桥梁左跨与隧道相连，监测点与山体距离很小，此处风速很小，轻微的扰动便会造成风向角的大幅度改变。风向角沿跨向由西岸向东岸单调递增，风向角均为正，如图7所示。

3.2 风速

图8给出了桥面高度处水平剖面的风速云图。当来流由10 km×10 km的数值模型边界输入时，来流沿河道吹来，地势较平坦，未受到明显的山体遮挡，桥位上游的风速较高，为40 m/s左右。来流经过河道弯曲地带时，受到山体的阻碍，风速有所降低。但是气流进入峡谷到达桥位处时，由于空气质量不能大量堆积，于是加速流过峡谷，风速又增大，如图8（a）所示，存在典型的“狭管效应”。图9给出了监测点风速沿竖向和桥跨方向的分布，风速沿高度的变化规律基本符合指数增长形式；风速沿桥跨方向呈现非均匀分布，靠近东西两岸的风速较低，尤其是西侧直接与隧道相接，风速接近于0，而跨中区域的风速较高，约为41.65 m/s，与风速入口桥面高度处风速接近。

而来流由50 km×50 km的数值模型边界输入，当来流充分发展流动至桥位上游处时，由于西侧山体的阻挡，风速较入口风速有了明显的减小，约为30 m/s，如图8（b）所示。来流先攀升至东侧的山体，再由山顶向下俯冲至桥位，而后再汇集灌入下游河道中。风速沿高度方向的剖面形状发生了变化，风剖面系数减小。在3/4跨位置处，低空不再完全符合对数或指数形式，而是在一定高度范围内加速，呈“S”型，如图9（a）所示。风速沿桥跨方向也发生了变化，与小尺度模型计算结果相比，风速大小明显降低，跨中风速降低了约25.4%。除风速很小的西岸监测点外，其余位置处的风速分布较均匀，如图9（b）所示。

综上所述，地形模型的尺度对复杂山区桥址区的风特性影响不容忽视，尤其是对风速的影响最大，而对桥位处风向角的影响相对较小。

4 结论

（1）当来流由小尺度地形模型边界输入时，桥位上游的风向与入口风向基本平行，而当采用大尺度模型后，桥位上游的来流风向近似平行于峡谷走向。而经过弯曲的河道达到桥位处时气流流向相似。

（2）风向角沿竖向分布呈“S”型，在桥面高度处较大。地形尺度大小对桥位处风向角的影响不明显，仅在风速较小的左岸差异较大，而在跨中区域影响较小。

（3）当来流由小尺度模型边界输入时，气流沿河道吹来，地势平坦，桥位风速较高，接近入口桥面高度的风速。而当考虑大尺度模型后，由于山体的阻挡，桥位处风速明显减小，减小幅度约为25%。

（4）对于小尺度模型，风速沿高度的变化规律基本符合指数增长形式；而对于大尺度模型，风剖面系数减小。在3/4跨，低空不再完全符合对数或指数形式，而是在一定高度范围内加速，呈“S”型。

参考文献

［1］ 胡朋. 深切峡谷桥址区风特性风洞试验及CFD研究［D］. 成都： 西南交通大学， 2013.

［2］ Huang W， Zhang X. Wind field simulation over complex terrain under different inflow wind directions［J］. Wind and Structures. 2019， 28（4）： 239-253.

［3］ Maurizi A， Palma J M L M， Castro F A. Numerical simulation of the atmospheric flow in a mountainous region of the North of Portugal［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1998， 74-76： 219-228.

［4］ Uchida T， Ohya Y. Large-eddy simulation of turbulent airflow over complex terrain［J］. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics. 2003， 91（1）： 219-229.

［5］ 胡峰强. 山区风特性参数及钢桁架悬索桥颤振稳定性研究［D］. 上海： 同济大学， 2006.

［6］ 靖洪淼，廖海黎，周强，等. 一种山区峡谷桥址区风场特性数值模拟方法［J］. 振动与冲击. 2019， 38（16）： 200-207.

［7］ 祝志文，张士宁，刘震卿，等. 桥址峡谷地貌风场特性的CFD模拟［J］. 湖南大学学报（自然科学版）. 2011， 38（10）： 13-17.

［8］ Nomura T. Prediction of large-scale wind field over complex terrain by finite element method［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1997， 67-68： 947-948.

［9］ 薛亞飞，刘志文. 复杂地形桥位风场空间分布特性数值模拟［J］. 公路交通科技. 2016， 33（5）： 66-72.