Autorzy: Mahyar Kazemian1, Sajad Nikdel2, Mehrnaz Mohammad Esmaeili3, Vahid Nik4, Kamyab Zandi*5
STRESZCZENIE Obciążenia środowiskowe, takie jak wiatr i przepływ rzek, odgrywają kluczową rolę w projektowaniu i ocenie konstrukcji mostów o dużej rozpiętości przęseł. Zmiany klimatu i ekstremalne zjawiska klimatyczne stanowią zagrożenie dla niezawodności i bezpieczeństwa sieci transportowej.
Doprowadziło to do rosnącego zapotrzebowania na cyfrowe modele bliźniaków do badania odporności mostów na ekstremalne warunki klimatyczne. Most Kalix, zbudowany na rzece Kalix w Szwecji w 1956 roku, jest wykorzystywany jako stanowisko doświadczalne.
Konstrukcja mostowa, wykonana z betonu kablobetonowego, składa się z pięciu przęseł, z których najdłuższe ma 94 m. W niniejszym badaniu charakterystyka aerodynamiczna i wartości ekstremalne numerycznej symulacji wiatru, takie jak ciśnienie przy powierzchniowe, zostały uzyskane przy użyciu symulacji opóźnionego wiru rozproszonego (DDES) Spalarta-Allmarasa jako hybrydowego podejścia RANS-LES do turbulencji, które jest zarówno praktyczne, jak i wydajne obliczeniowo dla obiektów przyściennych gęstość oczek narzuconą metodą LES.
Ciśnienie wiatru przyziemnego jest wyznaczane dla trzech ekstremalnych scenariuszy klimatycznych, w tym ekstremalnie wietrznej pogody, ekstremalnie niskich temperatur i wartości projektowej dla 3000-letniego okresu zwrotu. Wynik wskazuje na znaczne różnice w ciśnieniu wiatru przyziemnego ze względu na warstwy czasowe pochodzące z symulacji przejściowego przepływu wiatru. Aby ocenić zachowanie konstrukcji w scenariuszu z krytycznym wiatrem, brana jest pod uwagę najwyższa wartość ciśnienia powierzchniowego dla każdego scenariusza.
Prowadzone są również badania hydrodynamiczne podpór mostowych, w których symulowany jest przepływ wody metodą VOF, a przepływ wody wokół podpór jest badany w sposób przejściowy i w różnym czasie. Na każdej z powierzchni pirsu oblicza się nacisk powierzchniowy wywierany przez rzekę o największym odnotowanym przepływie objętościowym.
Do symulacji przepływu rzeki wykorzystano informacje i warunki pogodowe zarejestrowane w minionych okresach. Wyniki pokazują, że ciśnienie powierzchniowe w momencie, gdy rzeka uderza w filary, jest znacznie wyższe niż w okresach późniejszych. Ta wielkość ciśnienia może być wykorzystana jako obciążenie krytyczne w obliczeniach interakcji płynu ze strukturą (FSI).
Na koniec, dla obu odcinków, ciśnienie powierzchniowe wiatru, pole prędkości względem pomocniczych linii sondowania, kontury ruchu obwodowego wody wokół słupów oraz wykres ciśnienia na nich są podawane w różnych krokach czasowych.
Słowa kluczowe: Digital Twin, inżynieria wiatrowa, most betonowy, hydrodynamika, symulacja CFD, model turbulencji DDES, most Kalix
1. Wstęp
Infrastruktura transportowa jest kręgosłupem naszego społeczeństwa, a mosty stanowią wąskie gardło sieci transportowej [1]. Ponadto zmiany klimatu skutkujące wyższymi wskaźnikami pogorszenia stanu i ekstremalnymi zjawiskami klimatycznymi stanowią poważne zagrożenie dla niezawodności i bezpieczeństwa sieci transportowych. W ciągu ostatniej dekady wiele mostów zostało uszkodzonych w wyniku ekstremalnych warunków pogodowych, takich jak tajfuny i powodzie.
Wang i in. przeanalizowali wpływ zmiany klimatu i wykazali, że przewiduje się, że degradacja mostów betonowych będzie jeszcze gorsza niż obecnie, a ekstremalne zjawiska klimatyczne będą występować częściej i z większą dotkliwością [2].
Ponadto zapotrzebowanie na ładowność często wzrasta z czasem, na przykład ze względu na wykorzystanie cięższych samochodów ciężarowych do transportu drewna w Europie Północnej i Ameryce Północnej. W związku z tym rośnie zapotrzebowanie na niezawodne metody oceny odporności strukturalnej sieci transportowej na ekstremalne warunki klimatyczne, uwzględniające przyszłe scenariusze zmian klimatu.
Środki transportu drogowego są projektowane, budowane i eksploatowane w oparciu o liczne źródła danych i różne modele. Dlatego inżynierowie projektanci korzystają z ustalonych modeli dostarczonych przez normy; inżynierowie budowlani
udokumentować dane o rzeczywistym materiale i dostarczyć rysunki powykonawcze; operatorzy zbierają dane o ruchu, przeprowadzają inspekcje i planują konserwację; klimatolodzy łączą dane i modele klimatyczne, aby
przewidzieć przyszłe zdarzenia klimatyczne, a inżynierowie zajmujący się oceną obliczają wpływ ekstremalnych obciążeń klimatycznych na konstrukcję.
Biorąc pod uwagę przytłaczające źródła i złożoność danych i modeli, najbardziej aktualne informacje i zaktualizowane obliczenia mogą nie być łatwo dostępne dla podjęcia kluczowych decyzji, np. dotyczących bezpieczeństwa konstrukcji i operacyjności infrastruktury podczas epizodów ekstremalnych. Brak płynnej integracji między danymi o infrastrukturze, modelami konstrukcyjnymi i procesem decyzyjnym na poziomie systemu jest głównym ograniczeniem obecnych rozwiązań, co prowadzi do nieprzystosowania i niepewności oraz generuje koszty i nieefektywność.
Structural Digital Twin of Infrastructure to żywa symulacja konstrukcyjna, która łączy wszystkie dane i modele oraz aktualizuje się z wielu źródeł, aby przedstawić swój fizyczny odpowiednik. Konstrukcyjny cyfrowy bliźniak, utrzymywany przez cały cykl życia zasobu i łatwo dostępny w dowolnym momencie, zapewnia właścicielowi/użytkownikom infrastruktury wczesny wgląd w potencjalne zagrożenia dla mobilności spowodowane zjawiskami klimatycznymi, dużymi obciążeniami pojazdów, a nawet starzeniem się infrastruktura transportowa.
W ramach trwającego projektu opracowujemy i wdrażamy konstrukcyjnego cyfrowego bliźniaka dla mostu Kalix w Szwecji. Nadrzędnym celem niniejszego artykułu jest przedstawienie metody i zbadanie wyników kwantyfikacji obciążeń konstrukcyjnych spowodowanych ekstremalnymi zdarzeniami klimatycznymi w oparciu o przyszłe scenariusze klimatyczne dla mostu Kalix. Most Kalix, zbudowany na rzece Kalix w Szwecji w 1956 roku, wykonany jest z belki skrzynkowej z betonu kablobetonowego. Most służy jako stanowisko testowe do demonstracji najnowocześniejszych metod oceny i monitorowania stanu konstrukcji (SHM).
Celem szczegółowym obecnych badań jest uwzględnienie parametrów klimatycznych, takich jak wiatr i przepływ wody, wywierających na konstrukcje obciążenia statyczne i dynamiczne. Nasza metoda, w pierwszym etapie, składa się z symulacji przepływu wiatru i przepływu wody z wykorzystaniem modelowania CFD w stanie nieustalonym w oparciu o model turbulencji LES/DES w celu ilościowego określenia obciążeń wiatrem i wodą; stanowi to główny punkt odniesienia tego artykułu.
W następnym kroku, reakcja konstrukcyjna mostu zostanie zbadana poprzez przekształcenie profili obciążenia wiatrem i wodą na obciążenia konstrukcyjne w nieliniowej analizie konstrukcyjnej elementów skończonych. Na koniec, model konstrukcyjny zostanie zaktualizowany poprzez płynne uwzględnienie danych SHM, tworząc w ten sposób konstrukcyjnego cyfrowego bliźniaka, odzwierciedlającego rzeczywistą reakcję konstrukcji. Dwa pierwsze obszary zainteresowania badawcze pozostają poza bezpośrednim zakresem niniejszego artykułu.
2. Opis mostu Kalix
Most Kalix składa się z 5 długich przęseł, z których najdłuższe ma około 94 metry, a najkrótsze 43,85 m. Most wykonany jest z betonu kablobetonowego wylewanego na miejscu budowy oraz z niepryzmatycznego dźwigara skrzynkowego, co pokazano na rys. 1. Most ma symetryczną geometrię, aw jego środku znajduje się przegub. Szerokość płyty pomostowej w górnej i dolnej części płyty wynosi odpowiednio około 13 m i 7,5 m. Grubość ściany wynosi 45 cm, a grubość płyty dennej od 20 cm do
50 cm.
3. Symulacja przepływu wiatru
Badania w tunelu aerodynamicznym były dotychczas jedynym sposobem zbadania reakcji mostów na obciążenie wiatrem [3]; eksperymenty te są jednak czasochłonne i kosztowne. Przeprowadzenie typowego testu w tunelu aerodynamicznym trwa około 6 do 8 tygodni [4]. Najnowsze osiągnięcia w zakresie mocy obliczeniowej komputerów umożliwiają praktyczną symulację wiatru wokół mostów z wykorzystaniem obliczeniowej mechaniki płynów (CFD).
Korzystne jest zbadanie parcia wiatru na elementy mostu za pomocą symulacji komputerowej. Należy określić parametry symulacyjne mostu i pola wiatru wokół niego; dzięki temu można dokładnie ocenić ich wpływ na siły działające na most.
Wymagania projektowe dotyczące konstrukcji mostowych wymagają dokładnego zbadania oddziaływania wiatru, szczególnie w ekstremalnych warunkach pogodowych. Zagwarantowanie stateczności mostów o dużych przęsłach, ponieważ ich cechy i formacje są najbardziej narażone na obciążenie wiatrem, jest jednym z głównych kryteriów obliczeniowych [3].
3.1. Parametry symulacji
Bazową prędkość wiatru wybrano jako 22 m/s w oparciu o mapę wiatrową dla Szwecji i położenie mostu Kalix zgodnie z EN 1991-1-4 [5] i szwedzką normą BFS 2019:1 EKS 11; patrz Rysunek 1. Swobodna powierzchnia nad wodą jest traktowana jako obszar narażony na obciążenie wiatrem. Uważa się, że dominujący kierunek naporu wiatru jest prostopadły do płyty mostu.
Obecne symulacje opierają się na trzech scenariuszach, które obejmują: ekstremalny wiatr, ekstremalne zimno i wartość projektowa dla 3000-letniego okresu zwrotu. Każdy warunek ma inne wartości temperatury, wiatru bazowego
prędkość, lepkość kinematyczną i gęstość powietrza, zgodnie z tabelą 1. Zbiory danych pogodowych zostały zsyntetyzowane dla dwóch ekstremalnych tygodni pogodowych w okresie 30 lat 2040-2069, biorąc pod uwagę 13 różnych scenariuszy przyszłego klimatu z różnymi globalnymi modelami klimatu (GCM) i reprezentatywnymi ścieżkami koncentracji (RCP).
Przy użyciu opracowanego podejścia wybrano jeden tydzień ekstremalnie zimnych i jeden ekstremalnie wietrzny
autor: Nik [7]. Podejście to zostało dostosowane do potrzeb tej pracy, biorąc pod uwagę tygodniową skalę czasową zamiast miesięcznej. Zastosowanie tego podejścia zostało zweryfikowane dla złożonych symulacji, w tym dla systemów energetycznych [7] [8], hydrotermalnych [ 9] i symulacje mikroklimatu [10].
Aby uwzględnić ekstremalne warunki pogodowe bardzo ważnej infrastruktury, wartość bazowej prędkości wiatru musi zostać przeniesiona z 50-letniego okresu zwrotnego na 3000-letni, jak podano w równaniu 1 [6]. Profil prędkości i turbulencji jest tworzony na podstawie normy EN 1991-1-4 [5] dla kategorii terenu 0 (Z0 = 0,003 m i Zmin = 1 m), gdzie Z0 i Zmin to odpowiednio długość chropowatości i minimalna wysokość. Zmienność prędkości wiatru wraz z wysokością jest zdefiniowana w równaniu 2, gdzie co (z) jest współczynnikiem ukształtowania terenu przyjętym jako 1, vm (z) jest średnią prędkością wiatru na wysokości z, kr jest współczynnikiem ukształtowania terenu zależnym od długości szorstkości , a Iv (z) intensywność turbulencji; patrz Równanie 3.
Wartość prędkości wiatru dla okresu T = 3000 lat obliczana jest jako 31 m/s; w ten sposób wykresy prędkości wiatru i intensywności turbulencji uzyskuje się, jak pokazano na rys. 2.
3.2. Model turbulencji
Aby zapewnić dokładność badań przepływu wokół ważnych konstrukcji, takich jak mosty, można zastosować podejście hybrydowe, w tym symulacje opóźnionych oderwanych wirów (DDES), które są wydajne obliczeniowo [11] Patrz [12]. Ten model turbulencji wykorzystuje metodę RANS w pobliżu warstw granicznych oraz metodę LES z dala od warstw granicznych oraz w wydzielonym obszarze przepływu.
W pierwszym kroku podejście oparte na symulacji oderwanych wirów zostało rozszerzone w celu uzyskania wiarygodnych prognoz siły w modelach z dużym wpływem przepływu oddzielonego. W przeglądowej części książki Spalart [11] przedstawiono różne przykłady dla kilku przypadków, w których zastosowano model turbulencji z symulacją swobodnego wirowania (DES).
Wstępne sformułowanie DES [13] zostało opracowane przy użyciu podejścia Spalarta-Allmarasa. W związku z przejściem od podejścia RANS do LES, składnik destrukcji w zmodyfikowanym równaniu transportu lepkości został zrewidowany: odległość między punktem w dziedzinie a najbliższą powierzchnią bryłową (d) jest zastępowana współczynnikiem wprowadzonym przez:
gdzie CDES jest współczynnikiem, przyjmuje się, że wynosi 0,65, a Δ jest skalą długości powiązaną z lokalnymi odstępami między rastrami:
Zmodyfikowane podejście DES, znane jako opóźniona symulacja oderwania wirów (DDES), zostało zastosowane, aby zdominować prawdopodobny problem „rozdzielenia wywołanego siatką” (GIS), który jest związany z geometrią siatki. Celem tego nowego podejścia jest potwierdzenie, że modelowanie turbulencji działa w trybie RANS w warstwach granicznych [14]. W związku z tym definicja parametru zostaje zmieniona zgodnie z definicją:
gdzie fd jest funkcją filtru, w której wartość 0 jest uwzględniana w przyściennych warstwach przyściennych (strefa RANS), a wartość 1 w obszarach, w których nastąpiło rozdzielenie przepływu (strefa LES).
3.3. Siatka obliczeniowa i wyniki
RWIND 2.01 Pro jest wykorzystywany do symulacji wiatru CFD, która wykorzystuje zewnętrzny kod CFD OpenFOAM® w wersji 17.10. Trójwymiarowa symulacja CFD jest przeprowadzana jako symulacja wiatru nieustalonego dla nieściśliwego przepływu turbulentnego przy użyciu algorytmu SIMPLE (Semi-implicit Method for Pressure Linked Equations).
W bieżącej symulacji solwer w stanie ustalonym jest traktowany jako warunek początkowy, co oznacza, że podczas obliczania przepływu nieustalonego, obliczenia stanu początkowego w stanie ustalonym rozpoczynają się w pierwszej części symulacji, a gdy tylko nastąpi zostanie zakończone, obliczenia stanu nieustalonego rozpoczną się automatycznie.
Siatka obliczeniowa jest wykonana z trójwymiarowych komórek 8 057 279 i 8 820 901 węzłów, przy czym uwzględniane są również wymiary domeny tunelu aerodynamicznego 2000 m * 1000 m * 100 m (długość, szerokość, wysokość), jak pokazano na rys. 3. Minimalna objętość komórki wynosi 6,34*10-5 m3, maksymalna objętość 812,30 m3, a maksymalna skośność 1,80.
Ostateczne ciśnienie resztkowe jest traktowane jako 5*10-5. Generowanie i niezależność od sieci zostały przeprowadzone przy użyciu czterech rozmiarów oczek, które pokazano na rys. 4 dla siatki odniesienia, i ostatecznie osiągnięto niezależność od sieci.
Przeprowadzono trzy symulacje w celu uzyskania wartości ciśnienia wiatru dla ekstremalnych warunków pogodowych oraz obliczeniowej wartości wiatru, co pokazano na rys. 5. Dla każdego scenariusza wynik parcia wiatru uzyskuje się za pomocą modelu turbulencji przejściowej DDES dla czasu trwania 30 (s), który obejmuje warstwy 60 (Δt=0,5 s).
Można zauważyć, że we wszystkich scenariuszach czołowa powierzchnia mostu jest narażona na działanie wiatru, a ciśnienie to wzrasta wraz z wysokością w pobliżu krawędzi pomostu. Również ryc. 5. przedstawia wartości ujemnego ciśnienia wiatru na całej powierzchni pokładu. Wartość dla okresu 3000 lat jest znacznie wyższa niż w innych scenariuszach.
Należy zauważyć, że zakres wejściowej prędkości wiatru ma duży wpływ na wartość ciśnienia powierzchniowego, a nie na inne parametry. Dodatkowo, dla każdego scenariusza, wyższy zakres parcia i ssania wiatru w łącznym czasie należy uwzględnić jako krytyczne obciążenie wiatrem wywierane na konstrukcję. Najniższą wartość ciśnienia powierzchniowego uzyskuje się w przypadku ekstremalnie niskich temperatur, natomiast w przypadku ekstremalnej wietrznej pogody wartość ciśnienia wzrasta o jeden rząd wielkości.
Ponadto należy zauważyć, że osiągi mostu byłyby całkowicie różne ze względu na różne temperatury powietrza, a ewentualny przypadek krytyczny może wystąpić w przypadku scenariusza, w którym wystąpi niższe ciśnienie. Jeśli chodzi o wartość wejściową dla każdego scenariusza, najwyższy zakres ciśnienia wiatru należy do poziomu obliczeniowego ze względu na 3000-letni okres powrotu, dla którego jako prędkość wejściową przyjęto najwyższą prędkość wiatru.
4. Symulacja hydrodynamiczna
Filary mostu w poprzek rzeki mogą blokować przepływ poprzez zmniejszenie przekroju rzeki, tworzenie lokalnych prądów wirowych i zmianę prędkości przepływu, co może powodować naciski na powierzchnie filarów. W momencie wpadania rzeki w podpory mostu, proces opływania podstawy można podzielić na dwie części: zastosowanie ciśnienia w chwili, gdy woda uderza w filar mostu oraz po wstępnym ciśnieniu, gdy woda opływa filary [15].
Kiedy woda dociera do filarów mostu z określoną prędkością, wpływ ciśnienia na filary jest znacznie większy niż ciśnienie płynu pozostającego wokół nich. Ze względu na rozwój informatyki oraz postępujący rozwój kodów obliczeniowej dynamiki płynów, różne symulacje numeryczne znalazły szerokie zastosowanie i udowodniono, że wyniki wielu symulacji są zgodne z wynikami eksperymentalnymi [ 16].
W związku z tym w niniejszych badaniach wykorzystano metodę obliczeniowej dynamiki płynów do symulacji zjawisk decydujących o zachowaniu przepływu w rzece. Do badań wybrano rozwiązanie trójwymiarowe oparte na obliczeniach numerycznych z wykorzystaniem modelu turbulencji LES. Trójwymiarowa symulacja przepływu rzeki w różnych kierunkach i prędkościach pozwala nam obliczyć i przeanalizować wszystkie naciski na powierzchnię podpór mostowych w różnych odstępach czasu.
4.1. Parametry symulacji
Przepływ rzeki można zdefiniować jako przepływ dwufazowy, obejmujący wodę i powietrze, w otwartym korycie. Przepływ w kanale otwartym to przepływ płynu o swobodnej powierzchni, na której ciśnienie atmosferyczne jest równomiernie rozłożone i jest wytwarzane pod wpływem ciężaru płynu. Do symulacji tego typu przepływu wykorzystywana jest metoda wielofazowa VOF.
Dostępny na rynku program Flow3D wykorzystuje metody VOF i FAVOF. W metodzie VOF domena modelowania jest najpierw dzielona na komórki mniejszych elementów lub objętości elementów sterujących. W przypadku elementów zawierających płyn wartości liczbowe są przechowywane dla każdej ze zmiennych przepływu w nich zawartych.
Wartości te reprezentują średnią objętościową wartości w każdym elemencie. W prądach powierzchniowych nie wszystkie ogniwa są wypełnione płynem; niektóre komórki na powierzchni przepływu są do połowy wypełnione. W tym przypadku określana jest wielkość zwana objętością płynu F, reprezentująca część komórki, która jest wypełniona płynem.
Po określeniu położenia i kąta powierzchni przepływu, możliwe będzie zastosowanie odpowiednich warunków brzegowych na powierzchni przepływu w celu obliczenia ruchu płynu. Wraz z ruchem płynu zmienia się również wartość F. Swobodne powierzchnie są automatycznie monitorowane przez ruch płynu w nieruchomej sieci. Do określenia geometrii stosowana jest metoda FAVOR.
Inna wartość - ułamek objętościowy może być również wykorzystana do określenia poziomu niezajętego ciała sztywnego ( Vf ). Znając objętość zajmowaną przez bryłę sztywną w każdej komórce, granicę płynu w obrębie nieruchomej sieci można określić podobnie jak VOF. Ta granica służy do określania warunków brzegowych ściany, po której przepływa strumień. Zasadniczo równanie ciągłości masy ma postać:
Równania ruchu dla składowych prędkości płynu we współrzędnych 3D, czyli inaczej równania Naviera-Stokesa, są następujące:
Gdzie VF to stosunek objętości otwartej do przepływu, ρ to gęstość płynu, (u, v, w) to składowe prędkości w kierunkach x, y i z, odpowiednio, R SOR to funkcja źródła, (Ax, Ay, Az ) to pola ułamkowe, (Gx, Gy, Gz ) to siły grawitacyjne, (fx,fy, fz ) to przyspieszenia lepkości oraz (bx, by, bz ) to straty przepływu w ośrodkach porowatych, odpowiednio w kierunku x, y i z [17].
Zlewnia rzeki Kalix jest duża i szeroka, dlatego panuje na niej klimat subpolarny z mroźnymi i długimi zimami oraz łagodnymi i krótkimi latami. Około 50% opadów na tym obszarze to śnieg. W maju, zazwyczaj, topnienie śniegu powoduje znaczny wzrost przepływu rzecznego. Warunki klimatyczne rzeki zestawiono w tabeli 2, [18].
W przeciwieństwie do ogólnego trendu w niniejszym opracowaniu, wspomniana prognoza warunków pogodowych opiera się na informacjach pogodowych zarejestrowanych w poprzednich okresach. Na podstawie dostępnych informacji pogodowych podczas wykonywania obliczeń zdefiniowaliśmy warunki brzegowe.
4.2.Siatka obliczeniowa i wyniki
Po pierwsze, zgodnie z wymiarami słupów w trzech kierunkach X, Y, Z oraz zgodnie z wymiarem podłużnym filarów (D = 8,5 m; patrz rys. 7) domena rozciąga się o 10D w górę i o 20D w dół. Aby rozwiązać ten problem, zastosowano metodę tworzenia siatki strukturalnej (kartezjańską) i oprogramowanie Flow3D. Aby siatka była poprawna, dziedzina musi zostać podzielona na różne sekcje.
Podział ten opiera się na miejscach o silnym nachyleniu. Korzystając z tworzenia nowej powierzchni, można podzielić dziedzinę na kilka sekcji, aby utworzyć regularną siatkę o poprawnych i odpowiednich wymiarach, można również określić liczbę komórek na każdej powierzchni.
Zwiększa to końcową objętość komórek. Z tego powodu podzieliliśmy tę dziedzinę na trzy poziomy: Zgrubna, średnia i drobna. Wyniki badań niezależności od sieci przedstawiono na rys. 6. Aby sprawdzić obliczone wyniki, musimy najpierw upewnić się, że prąd wejściowy jest prawidłowy. W tym celu mierzone jest wejściowe natężenie przepływu w dziedzinie rozwiązania i porównywane z wartością podstawową. Wymiary dziedziny rozwiązań przedstawiono na rysunku 7. Liczba ta przyczynia się również do rozpoznania filarów mostu i nazwania ich powierzchni.
Jak pokazano na ryc. 8, przepływ rzeki mieści się w dopuszczalnym zakresie przez 90% czasu symulacji, a natężenie przepływu wlotowego zostało zasymulowane prawidłowo. Poza tym na ryc. 9, średnia prędkość rzeki jest obliczana na podstawie natężenia przepływu oraz pola przekroju rzeki.
Aby wyodrębnić wielkość ciśnienia przyłożonego do różnych stron słupów, wybraliśmy przedział czasowy symulacji od 10 do 25 sekund (czas stabilizacji rozładowania w wysokości 1800 metrów sześciennych na sekundę). Obliczone wyniki dla każdej strony pokazano na rys. 10 i 11. Warstwice prędkości pokazano również na rysunkach 12 i 13. Te kontury są dostosowywane w oparciu o prędkość płynu w danym momencie.
Ze względu na wymiary domeny rozwiązania i prędkość przepływu wody, woda dociera do filarów mostu w dziesiątej sekundzie, a początkowe ciśnienie przepływu rzeki oddziałuje na powierzchnie filarów mostu. To początkowe ciśnienie zmniejsza się z czasem i jest stabilizowane w określonym zakresie dla każdej strony, zależnie od powierzchni i procentu interakcji z przepływem. Do obliczeń interakcji między cieczą a strukturą (FSI) można wykorzystać obliczone ciśnienie krytyczne w momencie uderzenia prądu w słup.
5. Wniosek
Skutki ekstremalnych warunków pogodowych, w tym dynamicznego wiatru i przepływu wody, zostały zbadane numerycznie dla mostu Kalix. Zdefiniowano trzy scenariusze dla dynamicznych symulacji wiatru, w tym ekstremalnie wietrzną i zimną pogodę oraz wartość projektową dla 3000-letniego okresu zwrotnego. Wykorzystując symulacje CFD, ciśnienie wiatru w 60-stopniowych krokach (30 sekund) zostało określone przy użyciu modelu turbulencji przejściowej DDES.
Wyniki wskazują na istotne różnice między scenariuszami, co implikuje znaczenie danych wejściowych, zwłaszcza wykresu prędkości wiatru. Zaobserwowano, że wartość obliczeniowa dla 3000-letniego okresu zwrotu ma znacznie większy wpływ niż inne scenariusze. Wykazano również, jak ważne jest uwzględnienie wyższego zakresu nacisku wiatru przyziemnego w krokach czasowych w celu oceny osiągów konstrukcyjnych mostu w najbardziej krytycznym stanie.
Ponadto, zgodnie z zarejestrowanymi warunkami pogodowymi, uwzględniono maksymalny przepływ rzeki, a filary mostu zostały poddane maksymalnemu przepływowi rzeki przez 30 sekund. W związku z tym, oprócz warunków fizycznych przepływu rzeki i zmian kierunku przepływu w dole rzeki, obliczono maksymalne ciśnienia wody w momencie, gdy przepływ uderza w filary.
W przyszłych pracach parametry użytkowe mostu Kalix zostaną ocenione przez
nałożenie obciążenia wiatrem, naporem wody oraz ruchem drogowym, tworząc w ten sposób konstrukcyjnego cyfrowego bliźniaka, odzwierciedlającego rzeczywistą reakcję konstrukcji.
6. Potwierdzenie
Autorzy doceniają wsparcie firmy Dlubal Software za udzielenie licencji RWIND Simulation oraz Flow Sciences Inc. za udzielenie licencji FLOW-3D.
Autorzy: Mahyar Kazemian1, Sajad Nikdel2, Mehrnaz Mohammad Esmaeili3, Vahid Nik4, Kamyab Zandi*5
1 doktorant, praktykant w Department of Engineering, Timezyx Inc., Kanada.
2 mgr inż. student, stażysta na Wydziale Inżynierii Timezyx Inc., Kanada.
3 Student licencjatu, stażysta na Wydziale Inżynierii, Timezyx Inc., Kanada.
4 Profesor nadzwyczajny na wydziale Fizyki Budowli Uniwersytetu w Lund oraz Uniwersytetu Technologicznego Chalmers, Szwecja.
*5 Dyrektor, Timezyx Inc., Vancouver, BC V6N 2R2, Kanada. E-mail: [email protected]
