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基于Abaqus/CFD的高架桥街道流场计算

刘长虹,杨存攀,梁雨

华东理工大学机械与动力工程学院

摘要:针对城市道路上的高架桥和高层建筑所形成的特殊地形，应用Abaqus软件中的

Abaqus/CFD模块，建立了“高架桥峡谷模型”的流体力学有限元模型，分别对所涉及的街

道和高架桥支撑柱墩进行风场模拟计算。并根据计算结果，讨论了该模型的风场特点。

关键词:高架桥，街道峡谷模型，流体力学，Abaqus/CFD

1.引言

随着城市发展，高层建筑物、高架道路的建设。因此在城市街道上形成一种特殊地形，

即“高架街道峡谷”地形。而伴随着城市汽车保有量增加，研究城市的污染问题就显得越来越重要，本文将通过应用Abaqus/CFD模块，对城市特有的“高架街道峡谷”进行风场分析。城市街道的风场分析，无疑对于城市建设规划、污染防治方面，具有重要的理论和应用价值。

2.街道峡谷高架桥模型

在上海市中环路街道两旁，由多层、高层建筑形成的“街道峡谷模型”很多。本文将

以上中路段上的实际地形建立“街道峡谷高架桥模型”，其中街道两旁左侧建筑物（高度20米，宽度50米）；右侧为一层商铺（高4米，深8米）连接高层建筑（高30米，宽15米）

的建筑物构成，两旁建筑沿着街道长度均大于100米。高架道路为双向3车道，桥宽度24米，

在所研究区段高度为12米。高架桥下面的地面，同样有双向6条机动车道，上面的高架桥犹

如一把伞将下面大部分道路遮盖，只有两边部分非机动车道和人行道未被遮盖。

由于ABAQUS/CFD流体计算模块中的κ-ε流体动力学方程，该程序采用了混合有限体积

法和有限元法的求解方法，因此在计算不可压缩的层流和湍流问题时，具有求解精度高和

求解适用范围广的特点。为了尽量避免该算法消耗计算存储资源等的缺点，本文采取的计算策略是粗算与细算相结合的方法。即首先建立街道峡谷高架桥的全局模型，采用三维流体力学单元，划分了1万余个单元，得到整体结构风场有限元模型（图1）。然后通过忽略高层建筑边缘效应，街道峡谷高架桥中段，再建立一个平面问题的细化模型，详细研究由高架桥下街道风场的影响。

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图1.高架峡谷街道的3维有限元模型图

由计算得到的风场云图（图2-5）可知，如果风向与街道成垂直角度，由低层建筑吹向较高层建筑物在“峡谷”内风场比相反风向的风场要复杂。在上述两种风向的街道峡谷风场中，两个建筑物之间的街道上方，形成多个较大和较小的涡流气团。因此在机动车行驶

街道路面上方，涡流气团是机动车污染物扩散的主要方式之一。在街道的两旁建筑物下方，空气流动速度较小，建筑物背风面的风速大约比迎风面的风速小2-3倍。说明在街道两侧建筑物下方，空气流动是污染物扩散主要方式之一。

图2.风向与街道方向相互垂直（X正方向）时3维模型的风速场云图

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图3.风向与街道方向相互垂直（X正方向）时平面模型的风速场云图

图4.风向与街道方向相互垂直（X正方向）时，无高架桥平面模型的风速场云图

比较有高架桥和无高架桥的有限元流体力学计算得到的街道风速场计算结果（见图3

和4），可知街道上方有高架桥与吴高架桥时，两者风速场明显不同，即有高架桥时，街

道上污染物扩散速度要慢。在有高架桥的街道峡谷高架桥模型中，由于高架桥的遮盖，桥下方流场比较复杂，有多个较小涡流。最大风速不超过无遮挡物风速的30%。

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图5.风向由高层吹向低层建筑（-X正方向）时，有高架桥的风速场云图

如果考虑风顺着街道吹向街道峡谷高架桥的街道内部，由三维街道峡谷高架桥模型的

空气流场知，在两旁建筑物和高架桥的边界，风场情况复杂，在街口两旁建筑物边缘部位，

有空气旋涡存在。风进入街道内时，主要部分空气顺着街道流过，流过街道的风速高于街

口风速（图6）。

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图6.风向顺着街道（Z正方向）时，风速场云图

高架桥下有2根直径2.5米相距4米的支撑柱墩，其所产生的风场如图7，8所示。根据

风速场云图可知，高架桥墩对于风速场的影响区域很小，因此在重点研究街道两侧风场时，

可以忽略其影响。

图7.风向向上（Y方向）时，桥墩剖面风速场云图

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图8.风向向右吹（X方向）时，桥墩剖面风速场云图

3.讨论

本文利用Abaqus软件的Abaqus/CFD模块，根据上海市中环的典型地形，建立了3维和

2维的高架桥街道峡谷的风场流体力学模型和高架桥桥墩的流体力学模型。得到了以下的

主