新型格子Boltzmann流固耦合算法研究及其在橋梁風(fēng)工程中的應(yīng)用.pdf

1、現(xiàn)代橋梁的跨度越來越大，結(jié)構(gòu)更加輕柔，更容易發(fā)生風(fēng)致振動。為避免發(fā)生有害的風(fēng)致振動，如顫振和渦激振動，大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計越來越重要。目前，計算機(jī)和計算機(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域取得的巨大成就使以計算流體動力學(xué)為基礎(chǔ)的虛擬風(fēng)洞技術(shù)已經(jīng)成為計算橋梁氣動彈性響應(yīng)和進(jìn)行橋梁風(fēng)振分析的可行工具。宏觀流體力學(xué)計算方法，如有限元和有限體積法，常采用基于貼體網(wǎng)格的歐拉-拉格朗日法計算流固耦合問題，在計算精度、計算效率和算法穩(wěn)定性方面尚不能很好地勝任高雷諾數(shù)下橋梁結(jié)

2、構(gòu)的氣動彈性計算，為此，本文基于分子運動論的格子Boltzmann方法（lattice Boltzmann method,LBM），構(gòu)造新的流固耦合算法，對橋梁顫振、渦激振動的數(shù)值計算方法和氣動導(dǎo)數(shù)的識別等橋梁抗風(fēng)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究。本文的主要研究工作如下：
　　1.基于格子Boltzmann方法的原理，將單松弛時間格式LBM的分塊網(wǎng)格技術(shù)擴(kuò)展至多松弛時間格式的格子Boltzmann方法（MRT-LBM）中，發(fā)展一種分塊網(wǎng)格MR

3、T-LBM。
　　2.格子Boltzmann方法大渦模擬方法研究。將動態(tài)Smagorinsky亞格子應(yīng)力模型引入分塊網(wǎng)格MRT-LBM中，構(gòu)造了一種LBM大渦模擬方法—MRT-LBM-DSM。通過方柱斷面、矩形斷面和橋梁主梁斷面等鈍體結(jié)構(gòu)繞流問題的模擬證明了MRT-LBM-DSM模擬高雷諾數(shù)湍流和高雷諾數(shù)湍流環(huán)境中鈍體結(jié)構(gòu)繞流的能力。
　　3.基于運動邊界的LBM流固耦合算法研究。采用MRT-LBM-DSM作為流場求解器，利

4、用Runge–Kutta法求解橋梁主梁斷面的瞬態(tài)動力學(xué)響應(yīng)，結(jié)合LBM運動邊界和新生流體粒子分布函數(shù)的重構(gòu)，提出了一種新型顯式求解流固耦合問題的分區(qū)交替求解算法—MB-LBM。通過對矩形斷面的渦激振動和馳振、Guamá大橋扭轉(zhuǎn)顫振和Great Belt東橋彎扭兩自由顫振的模擬驗證了MB-LBM模擬流固耦合問題和計算橋梁氣動彈性響應(yīng)的可靠性。
　　4.基于迭代浸沒邊界法的LBM流固耦合算法研究。在MRT-LBM-DSM的框架下結(jié)合浸

5、沒邊界法的思想發(fā)展了另一種新型LBM流固耦合算法—迭代浸沒邊界-格子Boltzmann方法(IIB-LBM)。采用IIB-LBM對長寬比B/D=2矩形方柱的渦激振動和馳振、長寬比 B/D=4矩形方柱的單自由度扭轉(zhuǎn)顫振及福斯橋彎扭兩自由顫振進(jìn)行了數(shù)值研究。數(shù)值算例表明IIB-LBM可以準(zhǔn)確的計算方柱和橋梁的氣動彈性響應(yīng)，可以準(zhǔn)確識別不同氣動彈性響應(yīng)下流場的渦結(jié)構(gòu)。對IIB-LBM和MB-LBM進(jìn)行了對比研究，研究表明IIB-LBM流固耦合

6、面上數(shù)據(jù)傳遞的精度比MB-LBM更高。
　　5.橋梁氣動導(dǎo)數(shù)的MRT-LBM-DSM識別。采用MRT-LBM-DSM和LBM的運動邊界技術(shù)實現(xiàn)了運動物體繞流的LBM大渦模擬，根據(jù)計算得到的作用在運動物體上的氣動力，提出一種新的橋梁氣動導(dǎo)數(shù)識別方法，并成功用于理想平板、箱梁斷面、中央開槽箱梁斷面氣動導(dǎo)數(shù)的識別。將顫振臨界風(fēng)速和顫振臨界頻率的求解問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題，建立了搜索顫振臨界風(fēng)速和臨界頻率的雙參數(shù)優(yōu)化模型。通過對理想平板、箱梁