Evaluation of static aerodynamic coefficients of bridge decks using simpleFoam

The study of static aerodynamic coefficients is important in order to evaluate static forces acting on bridges’ structural components and to have a preliminary overview of instability conditions due to wind action. These values are generally evaluated through experimental tests performed in Wind Tunnels. With the rapid growth of High Performance Computing (HPC), the study of more complex wind engineering problems using Computational Fluid Dynamics (CFD) is becoming more feasible and affordable. The aim of this work is to apply 2D CFD to bridge decks with different geometries trying to define common points between each case. In particular, three bridge decks are studied using Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations with k − ω SST turbulence model. This thesis describes meshing and solution processes stressing all steps necessary to perform a 2D simulation using the open source software OpenFOAM and its solver simpleFoam. Mesh was created starting from the definition of a background grid using blockMesh. OpenFOAM meshing application for complex geometries is called snappyHexMesh and generates a 3D mesh that was transformed in an improvised 2D one using the application extrudeMesh. A set of proper boundary conditions must be defined to consider the mesh created to be as fully 2D. For the first test case, simulations were performed with different meshes underlining small differences between refinement levels. Different results were obtained when changing velocities, stressing a Reynolds Number dependence. In particular only simulations done with the same Re of wind tunnel tests showed comparable results. Tests done for second and third geometries led to less accurate results if compared with wind tunnel ones. RANS equations with k − ω SST turbulence model proved to be accurate only with a streamlined geometry (first one) while for geometries with high turbulence areas (second and third) this model was unable to correctly define static coefficients.

Lo studio dei coefficienti statici aerodinamici è importante per la valutazione delle forze agenti sulle componenti strutturali dei ponti a causa dell’azione del vento oltre che per avere una stima preliminare degli effetti di instabilità da essa causata. Questi valori sono generalmente ottenuti attraverso analisi sperimentali compiute in galleria del vento. Con la rapida crescita del calcolo ad elevate prestazioni, lo studio di problemi ingegneristici complessi tramite l’uso della fluidodinamica computazionale sta diventando maggiormente praticabile. Lo scopo di questo lavoro è di applicare un’analisi bidimensionale a diverse geometrie di impalcati di ponti, cercando di definire delle linee in comune nei diversi casi. Nello specifico, tre impalcati saranno studiati usando equazioni RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) con il modello di turbolenza k − ω SST. Questo elaborato segue i processi di creazione della mesh e di configurazione della simulazione bidimensionale, usando un software open source chiamato OpenFOAM e il suo risolutore simpleFoam. La mesh viene generata a partire dalla definizione di una griglia di sfondo usando blockMesh. L’applicazione di OpenFOAM in grado di creare mesh per geometrie complesse è chiamata snappyHexMesh e genera mesh tridimensionali che possono essere trasformate in mesh bidimensionali improprie usando l’applicazione extrudeMesh. Per far sì che questa mesh sia considerata come bidimensionale bisogna però applicare una serie di condizioni al contorno specifiche. Per il primo caso di studio, sono state testate diverse mesh che non hanno mostrato grosse differenze nei risultati. Cambiando, invece, il valore della velocità, i risultati ottenuti sono stati differenti e hanno mostrato una dipendenza dal numero di Reynolds. Nel dettaglio, solo i test effettuati con lo stesso Re della galleria del vento hanno mostrato risultati ad essa comparabili. I test sulla seconda e la terza geometria hanno restituito risultati meno accurati se comparati a quelli ottenuti in galleria del vento. Le equazioni RANS con il modello di turbolenza k − ω SST si sono dimostrate accurate solo con la geometria affusolata del primo ponte. Per geometrie con aree soggette ad alti valori di turbolenza, come il secondo e il terzo ponte, questo modello è stato incapace di definire correttamente i coefficienti statici.