Xây dựng mô hình lưới để khảo sát luồng gió xung quanh dầm cầu trong thí nghiệm hầm gió số

Tác giả: TS. TRẦN NGỌC AN
             Trường Đại học Phenikaa
             PGS. TS. LÊ THỊ HƯƠNG GIANG
             Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

Mô hình 3D của hầm gió số

Hiện nay, các kết cấu cầu hệ dây (dây văng và dây võng) được xây dựng ngày càng nhiều với khả năng vượt nhịp lớn cùng với những ưu điểm về mặt kiến trúc mỹ quan. Tuy nhiên, do có dạng kết cấu thanh mảnh nên các công trình cầu dây văng, dây võng rất nhạy cảm với tác động của gió bão. Theo tiêu chuẩn của Trung Quốc, các cầu dây văng, dây võng có khẩu độ trên 150 m cần phải thực hiện thiết kế ổn định khí động cầu. Dạng mất ổn định nguy hiểm nhất là mất ổn định khí động học uốn xoắn kết hợp (hiện tượng flutter). Trong thực tế, trường hợp nổi tiếng nhất là trường hợp cây cầu Tacoma Narrows cũ, bị phá hủy vào năm 1940 dưới tác dụng của gió không quá lớn.

Nghiên cứu khí động học cầu nhịp lớn đang phát triển theo hai hướng chính. Cách thứ nhất là xây dựng mô hình thử nghiệm trong các hầm gió chuyên dụng [9,10,11], tuy nhiên, chi phí cho việc thực nghiệm xác định vận tốc gió flutter tới hạn trong các hầm gió chuyên dụng vẫn là rất lớn. Hiện nay, cùng với sự phát triển của mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics - Tính toán động lực học chất lưu), thì hướng thứ hai là xây dựng mô hình hầm gió số trong các gói phần mềm chuyên dụng về khí và thủy động lực học [2,6,7,8] là một hướng đi khả thi với các ưu điểm nổi trội về giá thành, sự chính xác và thời gian thực hiện.

Mô hình hầm gió số là sự mô phỏng tương tác của dầm cầu với luồng gió thổi qua hoàn toàn trên phần mềm chuyên dụng để xác định các hiện tượng khí động học phát sinh, trong đó có xác định vận tốc gió flutter tới hạn. Quá trình mô phỏng này được gọi là mô phỏng FSI (Fluid-structure interaction - Tương tác kết cấu - chất lỏng). Mô phỏng FSI trong trường hợp này được hiểu là sự kết hợp giữa mô phỏng CFD (mô phỏng chuyển động của luồng gió thổi qua dầm cầu) và mô hình phần tử hữu hạn FEM mô phỏng chuyển động của dầm cầu.

ANSYS là một phần mềm toàn diện và bao quát hầu hết các lĩnh vực vật lý, giúp can thiệp vào thế giới mô hình ảo và phân tích kỹ thuật cho các giai đoạn thiết kế. Phần mềm phân tích mạnh này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng các vấn đề kỹ thuật. Các tài liệu [6,7,8] đã sử dụng phần mềm ANSYS ACADEMIC [14] để mô phỏng tính toán hiện tượng flutter của dầm cầu. Theo tài liệu [8], các kết quả tính toán mô phỏng bằng phần mềm ANSYS phù hợp tốt với kết quả thực nghiệm trong hầm gió.

Mời độc giả xem nội dung đầy đủ bài khoa học tại đây