Kalix Bridge Digital Twin - нагрузки на конструкции от будущих экстремальных климатических явлений

' ' ' Авторы: Mahyar Kazemian¹, Sajad Nikdel², Mehrnaz MohammadEsmaeili³, Vahid Nik⁴, Kamyab Zandi^{* 5} ' ' '

РЕФЕРАТ Нагрузки от окружающей среды, такие как ветер и потоки рек, играют важную роль в проектировании и оценке конструкций длиннопролетных мостов. Изменение климата и экстремальные климатические явления представляют собой угрозу надежности и безопасности транспортной сети.

Это привело к растущему спросу на модели цифровых двойников для исследования устойчивости мостов в экстремальных климатических условиях. Мост Каликс, построенный через реку Каликс в Швеции в 1956 году, используется в качестве испытательного полигона в этом контексте.

Конструкция моста из предварительно напряженного бетона состоит из пяти пролетов, самый длинный из которых - 94 м. В данном исследовании аэродинамические характеристики и экстремальные значения численного моделирования ветра, такие как приземное давление, получены с помощью моделирования отложенных вихрей (DDES) Спаларта-Алмараса в качестве гибридного подхода к турбулентности RANS-LES, который является как практическим, так и вычислительно эффективным для пристеночного моделирования плотность сетки, заданная методом LES.

Давление приземного ветра получено для трех экстремальных климатических сценариев, включая экстремальную ветреную погоду, чрезвычайно холодную погоду и расчетное значение на период повторяемости в 3000 лет. Результат указывает на значительные различия в давлении приземного ветра из-за временных слоев, возникающих при моделировании переходных ветровых потоков. Для оценки характеристик конструкции при критическом ветре рассматривается наивысшее значение давления на поверхность для каждого сценария.

Кроме того, на опорах моста проводится гидродинамическое исследование, в котором течение реки моделируется методом VOF, а процесс движения воды вокруг опор исследуется кратковременно и в разное время. Поверхностное давление, прилагаемое речным потоком с наивысшим зарегистрированным объемным расходом, рассчитывается на каждой из поверхностей причала.

При моделировании течения реки использовалась информация и погодные условия, записанные в прошлые периоды. Результаты показывают, что поверхностное давление в момент, когда поток реки ударяется о столбы, намного выше, чем в последующие времена. Это давление можно использовать в качестве критической нагрузки при расчете взаимодействия жидкости с конструкцией (FSI).

Наконец, для обоих сечений давление на поверхность ветра, поле скоростей по отношению к вспомогательным зондовым линиям, контуры окружного движения воды вокруг столбов и диаграмма давления на них приводятся с различными временными шагами.

' ' ' Ключевые слова: Цифровой двойник ' ' ', ветроэнергетика, бетонный мост, гидродинамика, CFD-моделирование, модель турбулентности DDES, мост Kalix

1. Введение

Транспортная инфраструктура - это основа нашего общества, а мосты - узкое место в транспортной сети Refer [1] . Кроме того, изменение климата, приводящее к более высоким темпам износа и экстремальным климатическим явлениям, представляет собой серьезную угрозу надежности и безопасности транспортных сетей. За последнее десятилетие многие мосты были повреждены и вышли из строя из-за экстремальных погодных условий, таких как тайфуны и наводнения.

Wang et al. проанализировали воздействия изменения климата и показали, что, как ожидается, изношенность бетонных мостов будет еще хуже, чем сегодня, а экстремальные климатические явления будут более частыми и серьезными Ссылка [2] .

Кроме того, потребность в грузоподъемности часто возрастает со временем, например, из-за использования более тяжелых грузовиков для перевозки древесины в Северной Европе и Северной Америке. Таким образом, существует растущая потребность в надежных методах оценки структурной устойчивости транспортной сети в экстремальных климатических условиях с учетом будущих сценариев изменения климата.

При проектировании, строительстве и эксплуатации автотранспортных средств используются многочисленные источники данных и различные модели. Следовательно, инженеры-проектировщики используют устоявшиеся модели, предусмотренные стандартами; инженеры-строители
задокументировать данные о материале и предоставить рабочие чертежи; операторы собирают данные о трафике, проводят проверки и планируют техническое обслуживание; климатологи комбинируют климатические данные и модели для
спрогнозировать будущие климатические события, а инженеры-оценщики рассчитать влияние экстремальных климатических нагрузок на конструкцию.

Учитывая подавляющее количество источников и сложность данных и моделей, самая актуальная информация и актуальные расчеты могут быть недоступны для принятия важных решений, например, относительно безопасности конструкций и работоспособности инфраструктуры во время эпизодов экстремальных явлений. Отсутствие бесшовной интеграции между данными инфраструктуры, конструктивными моделями и процессами принятия решений на уровне системы является основным ограничением текущих решений, которое приводит к их неадаптируемости и неопределенностям, а также к затратам и неэффективности.

Структурный цифровой двойник инфраструктуры - это живое моделирование конструкций, которое объединяет все данные и модели и обновляется из нескольких источников для представления своего физического аналога. Конструктивный цифровой двойник, поддерживаемый на протяжении всего жизненного цикла актива и легко доступный в любое время, позволяет владельцу/пользователям инфраструктуры на раннем этапе понять потенциальные риски для мобильности, вызванные климатическими явлениями, большими нагрузками на транспортные средства и даже старением объекта. транспортная инфраструктура.

В рамках текущего проекта мы разрабатываем и внедряем структурный цифровой двойник для моста Kalix в Швеции. Основная цель данной статьи - представить метод и изучить результаты количественной оценки нагрузок на конструкции, возникающих в результате экстремальных климатических явлений, на основе будущих климатических сценариев для моста Каликс. Мост Каликс, построенный через реку Каликс в Швеции в 1956 году, выполнен из железобетонной коробчатой балки, прошедшей напряжение после напряжения. Мост используется в качестве испытательного стенда для демонстрации самых современных методов оценки и мониторинга состояния конструкций (SHM).

Конкретной целью текущих исследований является учет климатических параметров, таких как ветер и поток воды, создание статических и динамических нагрузок на конструкции. На первом этапе наш метод состоит из моделирования потоков ветра и воды с использованием переходного CFD-моделирования на основе модели турбулентности LES/DES для количественной оценки ветровых и гидравлических нагрузок; это составляет основной фокус данной статьи.

На следующем этапе будет изучена реакция конструкции моста путем преобразования профилей ветровых и гидростатических нагрузок в нагрузки на конструкцию в нелинейном КЭ-расчете. Наконец, конструктивная модель будет обновлена за счет плавного включения данных SHM и, таким образом, создания структурного цифрового двойника, отражающего истинный отклик конструкции. Первые два направления исследований остаются за рамками данной статьи.

2. Описание моста Каликс

Мост Каликс состоит из 5-ти длинных пролетов, самый длинный из которых составляет около 94 метров, а самый короткий - 43,85 метра. Мост выполнен из предварительно напряженного бетона, отлитого на месте, и непризматической коробчатой балки, показанной на рис. 1. Мост симметричен по геометрии, а в его середине находится шарнир. Ширина настила моста по верхней и нижней плите составляет приблизительно 13 м и 7,5 м соответственно. Толщина стены 45 см, а толщина плиты основания от 20 см до
50 см.

Рис. 1. Геометрия и профили мостов

3. Моделирование воздействий ветра

Раньше испытания в аэродинамической трубе были единственным способом проверить реакцию мостов на ветровые нагрузки См. [3] ; эти эксперименты, однако, требуют больших затрат времени и средств. На проведение типичного испытания в аэродинамической трубе Ссылка [4] требуется от 6 до 8 недель. Последние достижения в области вычислительной техники предоставляют возможности для практического моделирования ветра вокруг мостов с помощью вычислительной гидродинамики (CFD).

Полезно исследовать давление ветра на компоненты моста с помощью компьютерного моделирования. Необходимо определить параметры моделирования моста и ветрового поля вокруг него; поэтому их влияние на силы, приложенные к мосту, можно оценить точно.

Требования к проектированию мостовых конструкций требуют тщательного изучения воздействия ветра, особенно в экстремальных погодных условиях. Гарантия устойчивости длиннопролетных мостов, поскольку их характеристики и конструкции наиболее подвержены ветровым нагрузкам, является одним из основных соображений при проектировании См. [3] .

3.1. Параметры моделирования

Основная скорость ветра выбрана 22 м/с на основе карты ветров Швеции и местоположения моста Каликс в соответствии с EN 1991-1-4 См. [5] и шведских норм BFS 2019: 1 ЭКС 11; см. рисунок 1. Свободная поверхность над водой считается подверженной ветровой нагрузке. Считается, что преобладающим направлением атаки ветра перпендикулярно настилу моста.

Текущее моделирование основано на трех сценариях, которые включают: экстремальный ветер, экстремальный холод и расчетное значение на 3000-летний период повторяемости. Каждое условие имеет разные значения температуры, основного ветра
скорости, кинематической вязкости и плотности воздуха, как показано в таблице 1. Наборы данных о погоде были синтезированы для двух недель экстремальных погодных явлений за 30-летний период 2040-2069 годов с учетом 13 различных будущих климатических сценариев с различными глобальными климатическими моделями (GCM) и репрезентативными траекториями концентраций (RCP).

С помощью разработанного подхода были выбраны одна экстремально холодная неделя и одна экстремально ветреная неделя.
автор: Nik Ссылка [7] . Подход был адаптирован к потребностям данной работы с учетом недельной шкалы времени, а не месяца. Применение этого подхода было проверено на комплексном моделировании, включая энергетические системы Ссылка [7] Ссылка [8] , гидротермальная Ссылка [ 9] , и моделирование микроклимата См. [10] .

Для учета экстремальных погодных условий очень важной инфраструктуры, значение основной скорости ветра необходимо перенести с 50-летнего периода повторяемости на 3000-летний, как указано в уравнении 1 См. [6] . Профиль скорости и турбулентности создается на основе EN 1991-1-4 [5] для категории местности 0 (Z₀ = 0,003 м и Z_min = 1 м), где Z₀ и Z_min - длина неровности и минимальная высота, соответственно. Изменение скорости ветра с высотой определяется в уравнении 2, где c_o (z) - коэффициент орографии, принятый равным 1, v_m (z) - средняя скорость ветра на высоте z, k_r - коэффициент местности, зависящий от длины неровностей. , I_v (z) - интенсивность турбулентности; см. уравнение 3.

Расчетное значение скорости ветра для T = 3000-летнего периода составляет 31 м/с; Таким образом, получаются диаграммы скорости ветра и интенсивности турбулентности, показанные на рисунке 2.

Таблица. 1. Информация о погоде для трех сценариев

Рис. 2. Расчетное значение для информации о 3000-летнем периоде повторяемости: (a) скорость ветра и (b) интенсивность турбулентности профиль, и (c) характеристики модели

3.2. Модель турбулентности

Для обеспечения точности исследований обтекания важных конструкций, таких как мосты, применим гибридный подход, включающий моделирование отсоединенных вихрей с задержкой (DDES), который эффективен с точки зрения вычислений Ссылка [11] См. [12] . В данной модели турбулентности используется метод RANS вблизи пограничных слоев и метод LES вдали от пограничных слоев и в области потока ' s отрывной области.

На первом этапе был расширен подход к моделированию отдельных вихрей для получения надежных предсказаний сил на моделях с большим влиянием отрывного потока. В обзорной части Spalart См. [11] несколько случаев, в которых используется модель турбулентности, имитирующая отсоединенные вихри (DES).

Исходная формулировка DES Ссылка [13] разработана с использованием подхода Спаларта – Аллмараса. Что касается перехода от RANS к LES, то в модифицированном уравнении переноса вязкости был пересмотрен член разрушения: расстояние между точкой в области и ближайшей твердой поверхностью (d) заменяется коэффициентом, вводимым следующим образом:

где C_DES - коэффициент, он считается равным 0,65, а Δ - это масштаб длины, связанный с местным шагом сетки:

Модифицированный подход DES, известный как моделирование отсоединенных вихрей с задержкой (DDES), был использован для решения возможной проблемы «разделения, вызванного сеткой» (GIS), которая связана с геометрией сетки. Цель этого нового подхода - подтвердить, что моделирование турбулентности выполняется в режиме RANS по всем пограничным слоям См. [14] . Поэтому определение параметра изменяется следующим образом:

где f_d - функция фильтра, в которой значение 0 учитывается в пристенных пограничных слоях (зона RANS), а значение 1 - в областях, где имело место отрыв потока (зона LES).

3.3. Расчетная сетка и результаты

RWIND 2.01 Pro используется для CFD-моделирования ветра, в котором используется внешний CFD-код OpenFOAM® версии 17.10. Трехмерное моделирование CFD выполняется как моделирование неустановившегося ветра для турбулентного потока несжимаемой жидкости с использованием алгоритма SIMPLE (полу-неявный метод для уравнений, связанных с давлением).

В текущем моделировании установившийся решатель рассматривается в качестве начального условия, что означает, что когда вычисляется переходный поток, установившееся вычисление начального условия начинается в первой части симуляции, и как только оно будет выполнено После завершения расчета переходных процессов начнется автоматически.

Рис. 3. Область аэродинамической трубы и расчетная сетка-ориентир (8 057 279 ячеек)

Расчетная сетка выполняется с помощью трехмерных 8,057,279 ячеек и 8,820,901 узла, также учитываются размеры области аэродинамической трубы 2000 м * 1000 м * 100 м (длина, ширина, высота), как показано на рисунке 3. Минимальный объем ячейки составляет 6,34 * 10-5 м3, максимальный объем - 812,30 м3, а максимальный перекос - 1,80.

Конечным остаточным давлением считается 5 * 10-5. Процесс создания сетки и независимости сетки был выполнен с использованием четырех размеров сетки, которые показаны на рисунке 4 для опорной сетки, и, наконец, независимость сетки была достигнута.

Рис. 4. Исследование сетки четырех расчетных значений сетки по линии зонда.

Было выполнено три моделирования для получения значения давления ветра для экстремальных погодных условий и расчетного значения ветра, которые показаны на рис. 5. Для каждого сценария результат давления ветра получается с помощью переходной модели турбулентности DDES в отношении длительности 30 (с), которая включает в себя 60-кратные слои (Δt = 0,5 с).

Можно заметить, что передняя часть мостика подвергается воздействию положительного давления ветра, и величина давления увеличивается с высотой у края настила для всех сценариев. Также на рис. 5. иллюстрирует значения отрицательного давления ветра полностью на поверхности палубы. Значение, относящееся к периоду 3000 лет, намного выше, чем в других сценариях.

Важно отметить, что диапазон входной скорости ветра имеет большое влияние на величину приземного давления, а не на другие параметры. Кроме того, для каждого сценария более высокий диапазон давления ветра и всасывания в течение всего времени необходимо рассматривать как критическую ветровую нагрузку, прилагаемую к конструкции. Наименьшее значение приземного давления достигается в сценарии экстремальных холодных условий, в то время как в условиях экстремального ветра значение давления становится на порядок выше.

Рис. 5. Контур поверхностного давления и диаграмма для 60-слоев (Δt = 0,5 с) через линию зонда для трех сценариев.

Кроме того, важно отметить, что характеристики моста полностью будут отличаться из-за разной температуры воздуха, и возможный критический случай может возникнуть в сценарии с более низким давлением. Что касается входного значения для каждого сценария, то наивысший диапазон ветрового давления относится к расчетному уровню из-за 3000-летнего периода повторяемости, для которого в качестве входной скорости была принята наивысшая скорость ветра.

4. Гидромоделирование

Столбы моста через реку могут блокировать поток, уменьшая сечение реки, создавая местные вихревые течения и изменяя скорость потока, что может оказывать давление на поверхности столбов. Когда река впадает в опоры моста, процесс обтекания основания можно разделить на две части: приложение давления в момент, когда вода ударяется о столбы моста, и после начального давления, когда вода обтекает столбы См. [15] .

Когда вода достигает опор моста с определенной скоростью, действие давления на опоры намного превышает давление жидкости, остающейся вокруг них. В связи с развитием информатики, а также с возрастающим развитием вычислительных кодов гидродинамики, было широко использовано различное численное моделирование, и было доказано, что результаты многих симуляций согласуются с экспериментальными результатами Ссылка [ 16] .

Соответственно, в данном исследовании был использован метод вычислительной гидродинамики для моделирования явлений, определяющих поведение речного потока. Для данного исследования было выбрано трехмерное решение, основанное на численных расчетах с использованием модели турбулентности LES. Трехмерное моделирование течения реки в различных направлениях и скоростях позволяет рассчитать и проанализировать все давления на поверхности опор моста в различные промежутки времени.

4.1. Параметры моделирования

Речной сток можно определить как двухфазный поток, включающий воду и воздух, в открытом русле. Течение в открытом канале - это поток жидкости со свободной поверхностью, на котором атмосферное давление распределено равномерно и создается за счет веса жидкости. Для моделирования течения этого типа используется многофазный метод VOF.

В коммерчески доступной программе Flow3D используются методы объемной фракции VOF и FAVOF. В методе VOF область моделирования сначала делится на ячейки меньших элементов или объемов элементов управления. Для элементов, содержащих жидкость, численные значения сохраняются для каждой из переменных потока внутри них.

Эти значения представляют собой средние объемные значения в каждом элементе. При токах со свободной поверхностью не все ячейки заполнены жидкостью; некоторые ячейки на поверхности потока заполнены наполовину. В этом случае определяется величина, называемая объемом жидкости, F, которая представляет собой часть ячейки, заполненную жидкостью.

После определения положения и угла поверхности потока можно будет применить соответствующие граничные условия на поверхности потока для расчета движения жидкости. По мере движения жидкости значение F также изменяется. Свободные поверхности автоматически отслеживаются по движению жидкости в фиксированной сети. Для определения геометрии используется метод FAVOR.

Другая величина объемной доли также может быть использована для определения уровня незанятого твердого тела ( V_f ). Когда объем, занимаемый твердым телом в каждой ячейке, известен, граница текучей среды в фиксированной сети может быть определена как VOF. Эта граница используется для определения граничных условий стенки, по которой следует поток. В целом уравнение неразрывности имеет следующий вид:

Уравнения движения для компонентов скорости жидкости в трехмерных координатах, или, другими словами, уравнения Навье-Стокса, следующие:

Где V_F - отношение открытого объема к потоку, ρ - плотность жидкости, (u, v, w) - компоненты скорости в направлениях x, y и z соответственно, R _SOR - функция источника, (A_x, A_y, A_z ) - дробные площади, (G_x, G_y, G_z ) - силы тяжести, (f_x, f_y, f_z ) - ускорения вязкости, и (b_x, b_y, b_z ) - потери потока в пористой среде по осям x, y и z соответственно См. [17] .

Водосбор реки Каликс большой и широкий, поэтому он имеет субполярный климат с холодной и продолжительной зимой и мягким и коротким летом. Около 50% осадков в этой области - снег. В мае, как правило, в результате таяния снега значительно увеличивается сток рек. Климатические условия реки кратко изложены в таблице 2, См. [18] .

Вопреки общей тенденции данного исследования, в упомянутом прогнозе погодных условий используется информация о погоде, записанная за прошлые периоды. На основе доступной информации о погоде мы определили граничные условия при выполнении расчетов.

Таблица 2: Параметры модели & Таблица 3:Граничные условия модели

4.2 Расчетная сетка и результаты

Во-первых, в соответствии с размерами колонн в трех направлениях X, Y, Z и в соответствии с продольным размером колонн (D = 8,5 м; см. Рис. 7), область простирается на 10D вверх по потоку и на 20D вниз по потоку. Для решения этой проблемы использовались метод структурированной сетки (декартово) и программа Flow3D. Для получения правильной сетки необходимо, чтобы домен был разделен на несколько разделов.

Это деление основано на местах с сильными уклонами. Используя создание новой поверхности, можно разделить область на несколько секций для создания регулярной сетки с правильными и подходящими размерами, а также указать количество ячеек на каждой поверхности.

Рис. 6: Исследование сетки для области гидро

Это увеличивает конечный объем ячеек. По этой причине мы разделили эту область на три уровня: Грубый, средний и мелкий. Результаты исследований независимости сетки приведены на рисунке 6. Чтобы проверить результаты расчета, мы должны сначала убедиться, что входной ток правильный. Для этого измеряется входной расход до области решения и сравнивается с базовым значением. Размеры области решения указаны на рисунке 7. Этот рисунок также способствует узнаваемости опор моста и названию их поверхностей.

Как показано на рис. 8, речной сток находится в допустимых пределах в течение 90% времени моделирования, а расход воды на входе был смоделирован правильно. Кроме того, на рис. 9 средняя скорость реки рассчитывается на основе расхода, а также площади сечения реки.

Для определения величины давления, приложенного к разным сторонам колонн, был выбран временной интервал моделирования от 10 до 25 секунд (время стабилизации разряда в размере 1800 кубических метров в секунду). Результаты расчета для каждой стороны показаны на рис. 10 и 11. Изолинии скорости также показаны на рисунках 12 и 13. Эти контуры корректируются в зависимости от скорости жидкости в данный момент времени.

Из-за размеров области решения и скорости потока реки, поток воды достигает опор моста за десятые секунды, и начальное давление речного потока воздействует на поверхности опор моста. Это начальное давление со временем уменьшается и стабилизируется в определенном диапазоне для каждой стороны в соответствии с площадью и процентом взаимодействия с потоком. Для расчетов взаимодействия жидкости и конструкции (FSI) можно использовать расчетное критическое давление в момент, когда ток достигает колонн.

Рис. 7: Чертеж области гидро

Рис. 8: расход речного потока; Рис. 9: Быстрый расход реки; Рис. 10: Давление на опору моста - I; Рис. 11: Давление на опору моста - II

Рис. 12: Счетчик скорости в момент: 30-е годы Рис. 13: Счетчик скорости в момент: 20-е

5. Заключение

Для моста Каликс было проведено численное исследование влияния экстремальных погодных условий, включая динамический ветер и поток воды. Для динамического моделирования ветра были определены три сценария, включая экстремальную ветреную погоду, экстремально холодную погоду и расчетное значение на период повторяемости в 3000 лет. Используя моделирование CFD, давление ветра в пределах 60 временных шагов (30 секунд) было определено с помощью переходной модели турбулентности DDES.

Результаты указывают на существенные различия между сценариями, что подразумевает важность входных данных, особенно диаграммы скоростей ветра. Было отмечено, что расчетное значение для периода повторяемости в 3000 лет имеет гораздо большее влияние, чем другие сценарии. Кроме того, была показана важность учета более высокого диапазона давления ветра у поверхности во времени для оценки конструктивных характеристик моста в наиболее критических условиях.

Кроме того, при моделировании переходных процессов в соответствии с зарегистрированными погодными условиями учитывался максимальный речной сток, а на опоры моста действовал максимальный речной сток в течение 30 секунд. Следовательно, помимо физических условий речного потока и того, как направление потока изменяется вниз по течению, было количественно определено максимальное давление воды в момент, когда поток ударяется о столбы.

В дальнейшей работе конструктивные характеристики моста Kalix будут оцениваться
накладывают ветровую нагрузку, давление воды, а также транспортную нагрузку, создавая таким образом структурный цифровой двойник, отражающий истинный отклик конструкции.

6. Выражение признательности

Авторы высоко ценят поддержку со стороны компании Dlubal Software за предоставление лицензии RWIND Simulation, а также компании Flow Sciences Inc. за предоставление лицензии FLOW-3D.

' ' ' Авторы: Mahyar Kazemian¹, Sajad Nikdel², Mehrnaz MohammadEsmaeili³, Vahid Nik⁴, Kamyab Zandi^{* 5} ' ' '

¹ кандидат наук, стажер инженерного факультета, Timezyx Inc., Канада.

² магистра студент, стажер инженерного факультета, Timezyx Inc., Канада.

³ Бакалавр, стажер инженерного факультета, Timezyx Inc., Канада.

⁴ Доцент отделения строительной физики Лундского университета и Технологического университета Чалмерса, Швеция.

^{* 5} Директор, Timezyx Inc., Ванкувер, Британская Колумбия, V6N 2R2, Канада. Эл. почта: [email protected]