基于流體子域法的帶隔板矩形截面渡槽動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、渡槽是工程中常用的水工建筑物，主要用于輸水、排水和通航，渡槽內(nèi)流體的晃動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性有重大的影響。實(shí)際工程中，在儲(chǔ)液系統(tǒng)中安裝防晃板是一種即經(jīng)濟(jì)又有效的方法，不僅可以抑制流體的晃動(dòng)，還能增加結(jié)構(gòu)的剛度，提高其抗震性能。因此，研究帶隔板矩形截面渡槽內(nèi)流體的動(dòng)力學(xué)問題很有必要。本文基于勢(shì)流理論，采用半解析法解決了單邊帶隔板和兩邊帶隔板矩形截面渡槽內(nèi)流體的動(dòng)力學(xué)特性問題。
　　本文首先介紹了帶隔板的矩形截面渡槽內(nèi)流體晃動(dòng)特性的求解方法

2、-流體子域法。通過引入人工邊界，將復(fù)雜的流體子域沿隔板劃分成若干具有簡(jiǎn)單邊界條件的子域，再將子域的邊界條件進(jìn)行分解，使每組邊界條件中只含有一個(gè)非齊次邊界。利用分離變量法和疊加原理求解出每個(gè)子域含有待定系數(shù)的速度勢(shì)函數(shù)的一般解。將速度勢(shì)函數(shù)代入子域交界面上速度連續(xù)條件、壓力連續(xù)條件和液體自由表面方程即可得到頻率方程，利用Fourier級(jí)數(shù)將頻率方程展開成齊次方程組，求解這個(gè)方程組即得到渡槽內(nèi)流體的晃動(dòng)特性。利用此方法分別求解了單邊帶隔板和

3、兩邊帶隔板矩形截面渡槽內(nèi)液體的自由晃動(dòng)特性，通過收斂性和比較研究證明本文方法的正確性，并且詳細(xì)分析了隔板的參數(shù)對(duì)晃動(dòng)特性的影響。
　　在此基礎(chǔ)上，本文解決了水平激勵(lì)下單邊帶隔板的矩形截面渡槽內(nèi)流體晃動(dòng)響應(yīng)問題。首先證明渡槽內(nèi)流體自由晃動(dòng)模態(tài)的正交性，再根據(jù)線性疊加原理，可將流體的速度勢(shì)函數(shù)分解成兩個(gè)部分:剛體速度勢(shì)和攝動(dòng)速度勢(shì)。分別求解這兩個(gè)速度勢(shì)函數(shù)，通過子域的邊界條件可以設(shè)出剛體速度勢(shì)函數(shù)。利用模態(tài)疊加法，引入廣義的時(shí)間坐標(biāo)，

4、設(shè)出以時(shí)間為變量的攝動(dòng)速度勢(shì)函數(shù)。將速度勢(shì)函數(shù)代入子域交界面上速度連續(xù)條件、壓力連續(xù)條件和自由液面方程即可得到動(dòng)力響應(yīng)方程。利用模態(tài)的正交性，將響應(yīng)方程解耦成單自由度動(dòng)力響應(yīng)方程組，運(yùn)用杜哈梅積分可以求解出晃動(dòng)響應(yīng)的解析解。建立二維ADINA有限元模型，將瞬態(tài)響應(yīng)下的解析解與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文方法的正確性，并且詳細(xì)分析了隔板參數(shù)對(duì)晃動(dòng)響應(yīng)的影響。
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用流體子域法對(duì)復(fù)雜邊界進(jìn)行處理，得到帶隔板矩形截面

5、渡槽的動(dòng)力學(xué)特性的高精度解。該方法程序編制簡(jiǎn)單，結(jié)果精度高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。通過算例分析，得到以下主要結(jié)論:
　　(1)單邊帶隔板矩形渡槽的固有晃動(dòng)頻率隨隔板長(zhǎng)度的增加而減小，隨隔板位置的升高而減小;隔板越接近液面，隔板長(zhǎng)度對(duì)振型的影響越大;隔板越長(zhǎng)，隔板上部液體的速度勢(shì)越大;
　　(2)兩邊帶隔板矩形渡槽隔板對(duì)稱布置與不對(duì)稱布置相比，當(dāng)隔板總長(zhǎng)度相同時(shí)，隔板布置在同一個(gè)高度隔板，對(duì)稱布置對(duì)頻率影響更大，并且頻率降低的更多