Махияр Каземян, Саджад Никдель, Мехрназ Мохаммад Эсмаили, Вахид Ник, Камьяб Занди
РЕЗЮМЕ
Нагрузки от окружающей среды, такие как ветер и речной поток, играют важную роль в проектировании и оценке конструкции мостов с большими пролётами. Изменение климата и экстремальные климатические явления представляют собой угрозу для надежности и безопасности транспортной сети.
Это привело к растущему спросу на модели цифровых двойников для исследования устойчивости мостов в экстремальных климатических условиях. В качестве испытательного полигона используется мост Каликс, построенный через реку Каликс в Швеции в 1956 году.
Конструкция моста из пост-напряженного бетона состоит из пяти пролетов, самый длинный из которых достигает 94 м. В данном исследовании были аэродинамические характеристики и экстремальные значения численного моделирования ветра, такого как давление на поверхность, были получены с использованием моделирования турбулентности с запаздыванием отдельного турбулентности (DDES) от компании Scalart-Allmaras в качестве гибридного метода моделирования турбулентности RANS-LES, который является как практичным, так и эффективным в отношении вычислений у стен плотность сетки, наложенная по методу LES
Давление ветра у поверхности земли рассчитывается для трех экстремальных климатических сценариев, включая экстремально ветреную погоду, экстремально холодное время года, а также расчетное значение для 3000-летнего периода повторяемости. Результат указывает на значительные различия в давлении ветра на поверхность из-за временных слоёв, возникающих в результате моделирования нестационарного воздушного потока. Для оценки характеристик конструкции при сценарии критического ветра, рассматривается самое высокое значение давления на поверхность для каждого сценария.
Кроме того, будут выполнены гидродинамические расчеты на опорах моста, в которых речной поток моделируется с помощью метода VOF, а процесс движения воды вокруг опор исследуется в переходном режиме и в разное время. Давление на поверхность, действующее со стороны речного потока, с самым высоким зарегистрированным объемным потоком, рассчитывается для каждой поверхности простенка.
При моделировании речного потока использовалась информация и погодные условия, записанные в прошлые периоды. Результаты показывают, что поверхностное давление в момент, когда речной поток ударялся о столбы, гораздо выше, чем в последующее время. Данная величина давления может использоваться в качестве критической нагрузки в расчетах взаимодействия рабочей среды с конструкцией (FSI).
Наконец, для обоих разрезов будут в различных временных шагах отображены давление ветра на поверхность, поле скоростей по отношению к вспомогательным линиям зонда, контуры окружного движения воды вокруг колонн, а также диаграмма давления на них.
1. Введение
Транспортная инфраструктура - это опора нашего общества, а мосты - это узкое место в транспортной сети {%><#Refer [1]]]. Кроме того, изменение климата, приводящее к более быстрому ухудшению состояния окружающей среды, и экстремальные климатические явления представляют собой серьезную угрозу надежности и безопасности транспортных сетей. За последнее десятилетие многие мосты были повреждены или выведены из работы экстремальными погодными условиями, такими как тайфуны или наводнения.
Wang et al. который проанализировал воздействия изменения климата, и показал, что износ железобетонных мостов будет еще более масштабным, чем сегодня, а экстремальные климатические явления будут возникать чаще и с более высокой интенсивностью [2].
Кроме того, требования к несущей способности со временем увеличиваются, например, из-за использования более тяжелых грузовиков для транспортировки древесины в Северной Европе и Северной Америке. Таким образом, существует растущая потребность в надёжных методах оценки конструктивной устойчивости транспортной сети в экстремальных климатических условиях с учётом сценариев будущего изменения климата.
Автодорожные транспортные системы проектируются, строятся и эксплуатируются на основе многочисленных источников данных и различных моделей. Следовательно, инженеры-проектировщики используют проверенные модели, предусмотренные стандартами; инженеры-строители
задокументировать данные по фактическому материалу и предоставить исполнительные чертежи; операторы собирают данные о трафике, выполняют проверки и планируют техническое обслуживание; климатологи объединяют климатические данные и модели, чтобы
предсказать будущие климатические явления, а инженеры-расчеты рассчитать воздействие экстремальных климатических нагрузок на конструкцию.
Из-за огромного количества и сложности данных и моделей, самая актуальная информация и последние вычисления могут быть недоступны для критических решений, например, в отношении конструктивной безопасности и пригодности к эксплуатации инфраструктуры во время эпизодов экстремальных явлений. Отсутствие бесшовной интеграции между данными об архитектуре, конструктивными моделями и процессом принятия решений на системном уровне является основным ограничением применяемых на данный момент решений и приводит к непригодности и неопределенностям, а также к затратам и неэффективности.
Конструктивный цифровой двойник инфраструктуры - это динамическое моделирование конструкций, которое объединяет все данные и модели и обновляется из нескольких источников, чтобы представить свой физический эквивалент. Конструктивный цифровой двойник, поддерживаемый на протяжении всего жизненного цикла актива и легко доступный в любое время, предоставляет владельцу/пользователям инфраструктуры заблаговременное представление о потенциальных рисках для мобильности, вызванных климатическими воздействиями, нагрузками от большегрузных транспортных средств и даже старением объекта транспортная инфраструктура.
В рамках текущего проекта мы разрабатываем и внедрим конструктивный цифровой двойник для моста Каликс в Швеции. Главной целью данной работы является представление метода и изучение результатов количественной оценки нагрузок на конструкцию в результате экстремальных климатических явлений на основе будущих сценариев климата для моста Каликс. Мост Каликс, построенный через реку Каликс в Швеции в 1956 году, состоит из бетонной балки коробчатого сечения с пост-напряжением. Мост используется как испытательный стенд для демонстрации самых современных методов оценки и контроля состояния конструкций (SHM).
Конкретной целью текущих исследований является учет таких параметров климата, как ветер и водный поток, наложение статических и динамических нагрузок на конструкции. Наш метод, на первом этапе, состоит из моделирования воздушного потока и моделирования потока воды с использованием переходного CFD моделирования на основе модели турбулентности LES/DES для количественной оценки ветровых и гидронагрузок; это составляет основной центр нашей статьи.
На следующем этапе мы изучим реакции конструкции моста путем преобразования профилей ветровой и гидравлической нагрузки в нагрузки на конструкцию в нелинейном расчете по МКЭ. Наконец, конструктивная модель будет обновлена путем плавного включения данных SHM и создания таким образом конструктивного цифрового двойника, отражающего действительную реакцию конструкции. Первые два направления исследований остаются за пределами непосредственного рассмотрения в данной статье.
2. Описание моста Каликс
Мост Каликс состоит из 5 длинных пролетов, самый длинный из которых составляет около 94 м, а самый короткий - 43,85 м. Мост изготовлен из постнапряженного бетона, который сегментировано отливается на месте, и имеет непризматическую балку коробчатого сечения, как показано на рисунке 1. Геометрия моста симметрична, и в его средней точке находится шарнир. Ширина настила моста на верхней и нижней плите составляет около 13 м и 7,5 м. Толщина стены 45 см, а толщина нижней плиты от 20 см до 20 см.
50 см.
3. Моделирование воздействий ветра
Раньше испытания мостов в аэродинамической трубе были единственным способом проверить реакцию мостов на ветровые нагрузки {%ref#Refer [3]]]; однако эти эксперименты требуют больших временных затрат и являются дорогими. Для проведения типичных испытаний в аэродинамической трубе требуется от 6 до 8 недель {%ref#Refer [4]]]. Последние достижения в области вычислительной производительности компьютеров открывают возможности для практического моделирования воздушного потока вокруг мостов с помощью вычислительной гидродинамики (CFD).
Давление ветра на компоненты моста имеет смысл изучить с помощью компьютерного моделирования. Необходимо задать параметры моделирования моста и поля ветра вокруг него; благодаря тому можно точно оценить их влияние на силы, действующие на мосту.
Проектные требования к мостовым конструкциям требуют тщательного анализа воздействий ветра, особенно в экстремальных погодных условиях. обеспечение устойчивости большепролётных мостов, поскольку их характеристики и конструкция наиболее подвержены ветровой нагрузке, является одним из основных соображений проектирования {%ref#Refer [3]]].
3.1. Параметры имитации
Основная скорость ветра выбрана равной 22 м/с на основе карты ветровой нагрузки Швеции и местоположения моста Каликс по норме EN 1991-1-4 [5] и шведской норме BFS 2019:1 EKS 11; см. рисунок 1. Свободная поверхность над водой рассматривается как область, подверженная ветровой нагрузке. Преобладающим направлением ветровой нагрузки считается перпендикуляр к настилу моста.
Текущее моделирование основано на трех сценариях, которые включают в себя: экстремальный ветер, экстремальный холодное состояние и расчетное значение для 3000-летнего периода повторяемости. Каждое условие имеет различные значения температуры, основного ветра
скорость, кинематическая вязкость и плотность воздуха, как показано в таблице 1. Наборы данных о погоде были обобщены для двух недель экстремальных погодных условий в течение 30-летнего периода с 2040 по 2069 год, с учётом 13 различных сценариев будущего климата с различными глобальными климатическими моделями (GCM) и тропами репрезентативной концентрации (RCP).
С помощью разработанного подхода были выбраны одна неделя с экстремально холодной погодой и одна неделя с экстремальным ветром.
Автор Nik {%ref#Refer [7]]]. Данный подход был адаптирован к потребностям данной работы, так как в расчетах применялся недельный масштаб, а не дневной. Применение данного подхода было проверено для сложного моделирования, включая моделирование энергетических систем [7] [8], гидротермальных [ 9] и моделирования микроклимата {%ref#Refer [10]]].
Для учета экстремальных погодных условий весьма важной инфраструктуры, значение базовой скорости ветра должно быть перенесено из 50-летнего периода повторяемости в 3000-летний период, как указано в уравнении 1 [6]. Профиль скорости и турбулентности создается по норме EN 1991-1-4 [5] для категории местности 0 (Z0 = 0,003 м и Zmin = 1 м), где Z0 и Zmin - длина и минимальная высота неровности соответственно. Изменение скорости ветра с высотой определяется уравнением 2, где co (z) - орографический коэффициент, принятый равным 1, vm (z) - средняя скорость ветра на высоте z, kr - коэффициент местности, зависящий от длины шероховатости , а Iv (z) - интенсивность турбулентности; см. уравнение 3.
Значение скорости ветра для T = 3000-летний период повторяемости было рассчитано как 31 м/с; таким образом, мы получим диаграммы скорости ветра и интенсивности турбулентности, как показано на рисунке 2.
3.2 Модель турбулентности
Чтобы сделать исследования воздушного потока вокруг важных конструкций, таких как мосты, применимым и эффективным с точки зрения вычислений гибридным подходом, включающим моделирование отложенных вихрей (DDES) {%://#Обратитесь к [12]]]. В данной модели турбулентности используется метод RANS вблизи граничных слоев и метод LES вдали от граничных слоев и в области отделённого потока.
На первом этапе было моделирование отрывных вихрей было расширено для получения надёжных прогнозов сил на моделях с большим воздействием отрывного потока. В обзорной части сводки Spolart [11] приведены различные примеры для нескольких случаев, в которых используется модель турбулентности - моделирование отдельных вихрей (DES).
Исходная формулировка DES [13] разработана с использованием метода Споларта – Аллмараса. Что касается перехода от RANS к LES, термин разрушение в модифицированном уравнении переноса вязкости пересматривается: расстояние между точкой в области и ближайшей поверхностью тела (d) заменяется коэффициентом, полученным по формуле:
где CDES - коэффициент, он принимается равным 0,65, а Δ - масштаб длины, связанный с местным шагом сетки:
Модифицированный подход DES, известный как моделирование отложенного вихря (DDES), был применен для решения вероятной проблемы «разделения, вызванного решеткой» (GIS), которое связано с геометрией решётки. Цель этого нового подхода - подтвердить, что моделирование турбулентности сохраняется в режиме RANS для всех граничных слоев [14]. Поэтому задание параметра изменяется следующим образом:
где fd - функция фильтра, при которой значение 0 учитывается в пристенных граничных слоях (зона RANS), а значение 1 в областях, где имеет место отрыв потока (зона LES).
3.3 Вычислительная сетка и результаты
Для CFD моделирования воздействий ветра применяется программа RWIND 2.01 Pro, в которой используется внешний CFD код OpenFOAM® версия 17.10. Трехмерное CFD моделирование выполняется как нестационарное моделирование ветра для несжимаемого турбулентного потока с использованием алгоритма SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).
В данном моделировании в качестве начального условия используется стационарный решатель, это означает, что при расчете нестационарного потока стационарный расчет начального условия начинается в первой части моделирования, и как только будет достигнут переходный расчет запускается автоматически.
Расчетная сетка выполнена в виде трехмерной 8 057 279 ячеек и 8 820 901 узла, также размеры области аэродинамической трубы учитываются как 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.
Конечное остаточное давление принимается равным 5*10-5. Процесс генерирования и независимости сетки был выполнен с использованием четырех размеров сетки, которые показаны на рисунке 4 в качестве эталонной сетки, и, наконец, была достигнута независимость от сетки.
Чтобы получить значение давления ветра для экстремальных погодных условий и расчетное значение ветра, которые показаны на рисунке 5, было выполнено три моделирования. Для каждого сценария результат давления ветра получается с помощью нестационарной модели турбулентности DDES по отношению к длительности 30 (с), которая включает в себя 60 временных слоёв (Δt=0,5 с).
Можно наблюдать, что передняя часть моста подвергается положительному давлению ветра, и величина давления увеличивается на высоту у края настила для всех сценариев. Также рисунок 5. где полностью отображены значения отрицательного давления ветра на поверхность настила. Значение, относящееся к 3000-летнему периоду, гораздо выше, чем в других сценариях.
Важно отметить, что диапазон входной скорости ветра оказывает большое влияние на значение поверхностного давления, а не на другие параметры. Кроме того, для каждого сценария необходимо учитывать более высокий диапазон давления и подсоса ветра в течение общего времени в качестве критической ветровой нагрузки, действующей на конструкцию. Наименьшее значение давления на поверхность достигается в случае экстремально низких температур, в то время как в ветреных условиях значение давления становится на порядок выше.
Кроме того, важно отметить, что характеристики моста полностью будут разными из-за разной температуры воздуха, и что в случае более низкого давления может возникнуть возможный критический случай. Что касается входных значений каждого сценария, то самый высокий диапазон давления ветра относится к расчетному уровню из-за 3000-летнего периода повторяемости, для которого в качестве входной скорости задана наибольшая скорость ветра.
4. Гидромоделирование
Мостовые опоры через реку могут блокировать поток путем уменьшения поперечного сечения реки, создания местных вихревых течений и изменения скорости потока, которые могут оказать давление на поверхности опор. Когда поток реки втекает в опоры моста, процесс обтекания основания можно разделить на две части: приложение давления в момент удара воды по колонне моста и после начального давления, когда вода обтекает колонны [15].
Когда вода достигает с определенной скоростью колонн моста, влияние давления на колонны гораздо больше, чем давление жидкости, остающейся вокруг них. Благодаря развитию информатики, а также растущим разработкам вычислительных программ гидродинамики, стали широко применяться различные численные моделирования, в результате которых было показано, что результаты многих моделирований согласуются с результатами экспериментов {%://#См. [ 16]]].
Именно потому в данном исследовании был для моделирования явлений, определяющих поведение речного потока, применен метод вычислительной гидродинамики. Для данного исследования было выбрано трехмерное решение, основанное на численных расчетах с использованием модели турбулентности LES. Трехмерное моделирование речного потока в различных направлениях и с различными скоростями позволяет рассчитать и проанализировать все давления на поверхность опор моста в различные интервалы времени.
4.1. Параметры моделирования
Речной поток можно определить как двухфазный поток, включая воду и воздух, в открытом русле. Поток в открытом канале - это поток жидкости со свободной поверхностью, по которой равномерно распределено атмосферное давление, создаваемое за счет веса жидкости. Для моделирования такого типа потока используется многофазный метод VOF.
Метод объемно-дополнительного расчета VOF и FAVOF применяется в имеющейся в продаже программе flow3D. В методе VOF область моделирования сначала разделяется на ячейки с более небольшими элементами или объемами контроля. Для элементов, содержащих жидкость, хранятся численные значения для каждой из переменных потока внутри них.
Эти значения представляют собой объемное среднее значений в каждом элементе. В свободных поверхностных токах не все ячейки заполнены жидкостью; некоторые ячейки на поверхности потока будут наполовину заполнены. В данном случае задается количество, называемое объемом жидкости F, которое представляет собой часть ячейки, заполненную жидкостью.
После определения положения и угла поверхности потока можно применить соответствующие граничные условия на поверхности потока для расчета движения жидкости. По мере движения жидкости значение F также изменяется. Свободные поверхности контролируются автоматически по движению жидкости в фиксированной сети. Для определения геометрии используется метод FAVOR.
Еще одна величина объемной части может быть использована также для определения уровня незанятого твердого тела ( Vf ). Если известен объем, занимаемый твердым телом в каждой ячейке, то границу жидкости в фиксированной сетке можно определить аналогично VOF. Эта граница используется для определения граничных условий стены, по которой следует поток. В общем случае уравнение неразрезности массы имеет следующий вид:
Уравнения движения для компонентов скорости жидкости в трехмерных координатах, или другими словами уравнения Навье-Стокса, имеют следующий вид:
Где VF - отношение открытого объема к потоку, ρ - плотность жидкости, (u, v, w) - составляющие скорости вдоль x, y и z соответственно, R SOR - функция источника, (Ax, Ay , Az) - дробные площади, (Gx, Gy, Gz ) - силы гравитации, (fx, fy, fz ) - вязкостные ускорения и (bx, by, bz ) - потери потокa в пористой среде в направлении x, y и z соответственно [17].
Площадь водосбора реки Каликс велика и широка, поэтому в ней преобладает субполярный климат с холодной и продолжительной зимой, а также умеренным и коротким летом. Около 50% осадков в этой области составляет снег. Обычно в мае таяние снега вызывает значительное увеличение речного расхода. Климатические условия реки обобщены в таблице 2 [18]]].
Вопреки общей тенденции данного исследования, в упомянутом прогнозе погодных условий используется информация о погоде, записанная в прошлые периоды. На основе доступной информации о погоде были при выполнении расчетов заданы также граничные условия.
4.2.Вычислительная 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. рисунок 7), область расширяется на 10 D вверх по течению и на 20 D вниз по течению. Для решения данной проблемы были применены метод структурированной сетки (декартовой) и программа flow3D. Для получения правильной сетки область должна быть разделена на разные части.
Это деление основано на местах с большими уклонами. С помощью создания новой поверхности можно разделить область на несколько частей и создать регулярную сетку с правильными и соответствующими размерами, а также указать количество ячеек на каждой поверхности.
Это увеличивает конечный объем ячеек. По этой причине мы разделили эту область на три уровня: Грубая, средняя и мелкая. Результаты исследований зависимости решетки показаны на рисунке 6. Чтобы проверить результаты расчета, нужно сначала убедиться, что входной поток задан правильно. Для этого входной расход измеряется в области решения и сравнивается с базовым значением. Размеры области решения указаны на рисунке 7. Это изображение также облегчает узнавание опор моста и их поверхностей.
Как показано на рисунке 8, речной поток находится в допустимом диапазоне в течение 90% времени моделирования, а скорость потока на входе моделировалась правильно. Кроме того, на рисунке 9 показана средняя скорость реки, рассчитанная на основе скорости потока, а также площади поперечного сечения реки.
Для того, чтобы определить величину давления, действующего на различные стороны колонны, мы выбрали интервал времени моделирования от 10 до 25 секунд (время стабилизации напора в размере 1800 кубических метров в секунду). Результаты расчета для каждой стороны показаны на рисунках 10 и 11. Кривые скоростей также показаны на рисунках 12 и 13. Эти контуры настраиваются на основе скорости жидкости в данный момент времени.
Из-за размеров области решения и скорости потока реки, поток воды достигает опор моста в течение десятой секунды, и начальное давление речного потока действует на поверхности стоек 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 рабочей среды с конструкцией (FSI) можно использовать рассчитанное критическое давление в момент удара потока по колоннам.
5. Заключение
Влияние экстремальных погодных условий, включая динамический ветер и поток воды, были определены для моста Каликс с помощью численного анализа. Для динамического моделирования ветра были определены три сценария, включая экстремальную ветровую погоду, экстремально холодною погоду и расчетное значение для 3000-летнего периода повторяемости. С помощью моделирования CFD, давления ветра были определены в течение 60 временных шагов (30 секунд) с помощью нестационарной модели турбулентности DDES.
Результаты указывают на значительные различия между сценариями, которые подразумевают значение входных данных, особенно диаграммы скорости ветра. Было отмечено, что расчетное значение для 3000-летнего периода повторяемости оказывает гораздо более высокое воздействие, чем в других сценариях. Кроме того, была показана важность учета более высокого диапазона давления ветра на поверхности с помощью временных шагов для оценки работы конструкции моста в наиболее критическом состоянии.
Кроме того, был учтен максимальный речной поток для моделирования переходных процессов в соответствии с записанными погодными условиями, а опоры мостов подвергались воздействию максимального речного потока в течение 30 секунд. Следовательно, помимо физических условий речного потока и того, как меняется направление потока вниз по течению, было максимальное давление воды определено в то время, когда поток ударяется о столбы.
В дальнейшей работе конструктивные характеристики моста Каликс будут оценены
наложенное ветровое давление, давление воды, а также транспортная нагрузка, создавая таким образом конструктивный цифровой двойник, отражающий действительную реакцию конструкции.
6.Благодарность
Авторы благодарят компанию Dlubal Software за поддержку их работы с лицензией на программу RWIND Simulation, а также компанию flow наукам Inc. за предоставление лицензии FLOW-3D.
Авторы
Махьяр Каземян , сhаддон, стажер инженерного факультета, Timezyx Inc., Канада
Sajad Nikdel , M.Sc. студент, стажер на инженерном факультете, Timezyx Inc., Канада.
Мехрназ Мохаммад Эсмаейли , студент бакалавриата, стажер инженерного факультета, Timezyx Inc., Канада
Вахид Ник , доцент факультета строительной физики Лундского университета и Технического университета Чалмерса, Швеция
Камьяб Занди , директор, Timezyx Inc., Ванкувер, BC V6N 2R2, Канада. Эл. почта: [email protected].
