新型流體有限元方法研究及其在風場繞流和結(jié)構(gòu)耦合風效應中的應用.pdf

1、隨著計算機科學和數(shù)值求解技術(shù)的飛速發(fā)展，基于計算流體動力學（Computational Fluid Dynamic,CFD）的湍流風場數(shù)值模擬以及風和結(jié)構(gòu)的流固耦合（Fluid-Structure Interaction，F(xiàn)SI）分析已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程中的研究熱點。
　　首先，提出了一種計算不可壓縮粘性流問題的新型穩(wěn)定化流體有限元方法。將半隱式三步方法（Three-step Method）和流線迎風Petrov-Galerkin（S

2、UPG）穩(wěn)定化方法相結(jié)合，運用SUPG迎風格式進行空間離散，對速度場和壓力場則采用同階的線性插值函數(shù)，從而有效提高了流體速度和壓力的計算穩(wěn)定性與計算效率。方腔拖拽流、平行四邊形腔拖拽流以及三角形腔拖拽流的數(shù)值計算結(jié)果與已有文獻結(jié)果吻合較好，驗證了本文方法的精確性和有效性。
　　其次，在本文的新型穩(wěn)定化流體有限元方法的基礎上，發(fā)展了一種新型穩(wěn)定化流體有限元大渦模擬方法。將經(jīng)典Smagorinsky亞格子模型（Sub-grid Sca

3、le model）與SUPG穩(wěn)定化方法相結(jié)合，并成功應用于瞬態(tài)、非定常高雷諾數(shù)湍流流場的數(shù)值模擬。對空間離散，采用速度和壓力同階的插值函數(shù)；對時間離散，采用二階精度且高穩(wěn)定化的三步方法。數(shù)值計算顯示，本方法可有效消除高雷諾數(shù)下的速度場和壓力場的數(shù)值振蕩現(xiàn)象，在較粗糙網(wǎng)格條件下得到較準確的速度場、壓力場和氣動力特性參數(shù)等計算結(jié)果。
　　第三，針對動態(tài)亞格子模型（Dynamic Sub-grid Scale model）的濾波過程，將

4、節(jié)點濾波函數(shù)和廣義盒式濾波函數(shù)相結(jié)合，發(fā)展了一種簡單、快速的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格濾波方法。在本文的新型穩(wěn)定化流體有限元方法和動態(tài)亞格子模型的基礎上，發(fā)展了一種適用于模擬結(jié)構(gòu)周圍風場湍流流動特性的新型動態(tài)大渦模擬方法。數(shù)值計算結(jié)果表明，本方法可模擬復雜結(jié)構(gòu)形體周圍的湍流流動問題，刻畫建筑結(jié)構(gòu)周圍風場的特征旋渦結(jié)構(gòu)。
　　第四，針對流體域網(wǎng)格更新問題，本文改進了彈簧近似法（Spring Analogy Method），在彈簧剛度定義中考慮了網(wǎng)

5、格形狀和尺度的影響。改進彈簧近似法具備線性彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧的優(yōu)點，適用于二維和三維邊界移動問題。另一方面，基于本文新型穩(wěn)定化流體有限元大渦模擬方法，推導了任意拉格朗日-歐拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE）描述下的風場控制方程有限元列式，并用于數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)在大振幅強迫振動下的湍流風場。
　　最后，針對大跨空間結(jié)構(gòu)的風致振動問題，運用流固耦合（FSI）力學理論，建立了結(jié)構(gòu)風振分析方法，即采用包含流體