Comprehensive CFD Investigation of the aerodynamic behaviour of a single-box deck section: flutter derivatives and aerodynamic admittances

This thesis aims to investigate the highest level of accuracy that two-dimensional Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes (2D URANS) models can provide, together with their limitations, in characterizing the aerodynamics of a standard single-box bridge deck section, through Computational Fluid Dynamics (CFD). These models have proven in good agreement with experimental results without requiring an excessive amount of computational resources. However, they still present limitations that can be investigated in greater depth by analyzing the distribution of specific quantities, such as the pressure coefficient, flutter derivatives (FD), and aerodynamic admittances (AA). In particular, the last two are essential for predicting the aerodynamic performance of bridge decks. Therefore, two experimental campaigns are conducted on a rigid sectional model of the Hardanger Bridge at the Politecnico di Milano Wind Tunnel, aimed at extracting the distributed quantities of interest to enable a comprehensive comparison with the numerical results. Consequently, the procedure adopted to implement a reliable numerical model in OpenFOAM is presented, focusing on the investigation of the most suitable mesh topology and dynamic mesh technique. In particular, a quad-dominant grid combined with the morphing mesh approach proves to be the most appropriate choice for computing the quantities of interest, as it represents a good trade-off between computational cost and accuracy. Finally, the comparison between experimental and numerical flutter derivatives and aerodynamic admittances, based on both their integral values and their distributions, identifies the front and rear barrier regions, together with the leading and trailing edges, as the most critical areas for the CFD simulations.

Il presente elaborato si propone di investigare la migliore accuratezza che l’utilizzo delle equazioni URANS bidimensionali è in grado di fornire, insieme alle loro limitazioni, per la caratterizzazione aerodinamica di un impalcato monocassone standard di un ponte. Questi modelli di Fluidodinamica Computazionale (CFD) si sono dimostrati sufficientemente accurati nel riprodurre i risultati sperimentali, senza richiedere un’eccessiva quantità di risorse computazionali. Tuttavia, essi presentano ancora dei limiti, che possono essere analizzati in modo più approfondito attraverso lo studio delle distribuzioni di determinate grandezze, quali il coefficiente di pressione, le derivate di flutter (FD) e le ammettenze aerodinamiche (AA). In particolare, le ultime due risultano fondamentali per la previsione del comportamento aerodinamico degli impalcati da ponte. A tale scopo, due campagne sperimentali vengono condotte su un modello rigido sezionale del ponte sospeso a lunga campata Hardanger presso la Galleria del Vento del Politecnico di Milano, con l'obiettivo finale di estrarre le distribuzioni delle grandezze di interesse e consentire un confronto completo con i risultati numerici. Successivamente, viene descritta la procedura adottata per implementare un modello numerico solido in OpenFOAM, con particolare attenzione all’individuazione della topologia di mesh e della tecnica di deformazione più appropriate. In particolare, una griglia costituita prevalentemente da celle quadrilatere, combinata con la mesh deformabile, si è dimostrata la scelta più idonea per il calcolo delle grandezze di interesse, in quanto rappresenta un buon compromesso tra costo computazionale e livello di accuratezza. Infine, il confronto tra i dati sperimentali e numerici relativi alle derivate di flutter e alle ammettenze aerodinamiche, analizzati sia dal punto di vista integrale che distribuito, ha permesso di identificare le regioni delle barriere anteriore e posteriore, ma anche del bordo d'attaco e d'uscita, come le più critiche per le simulazioni CFD.