本文關(guān)鍵詞：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，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》 2015年

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

劉克同  

【摘要】：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(dòng)。為避免發(fā)生有害的風(fēng)致振動(dòng),如顫振和渦激振動(dòng),大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)越來越重要。目前,計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得的巨大成就使以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的虛擬風(fēng)洞技術(shù)已經(jīng)成為計(jì)算橋梁氣動(dòng)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(jì)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(jì)算流固耦合問題,在計(jì)算精度、計(jì)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)構(gòu)的氣動(dòng)彈性計(jì)算,為此,本文基于分子運(yùn)動(dòng)論的格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM),構(gòu)造新的流固耦合算法,對(duì)橋梁顫振、渦激振動(dòng)的數(shù)值計(jì)算方法和氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的識(shí)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(shí)間格式LBM的分塊網(wǎng)格技術(shù)擴(kuò)展至多松弛時(shí)間格式的格子Boltzmann方法(MRT-LBM)中,發(fā)展一種分塊網(wǎng)格MRT-LBM。2.格子Boltzmann方法大渦模擬方法研究。將動(dòng)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(yùn)動(dòng)邊界的LBM流固耦合算法研究。采用MRT-LBM-DSM作為流場求解器,利用Runge–Kutta法求解橋梁主梁斷面的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng),結(jié)合LBM運(yùn)動(dòng)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(duì)矩形斷面的渦激振動(dòng)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(yàn)證了MB-LBM模擬流固耦合問題和計(jì)算橋梁氣動(dòng)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(duì)長寬比B/D=2矩形方柱的渦激振動(dòng)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(jì)算方柱和橋梁的氣動(dòng)彈性響應(yīng),可以準(zhǔn)確識(shí)別不同氣動(dòng)彈性響應(yīng)下流場的渦結(jié)構(gòu)。對(duì)IIB-LBM和MB-LBM進(jìn)行了對(duì)比研究,研究表明IIB-LBM流固耦合面上數(shù)據(jù)傳遞的精度比MB-LBM更高。5.橋梁氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的MRT-LBM-DSM識(shí)別。采用MRT-LBM-DSM和LBM的運(yùn)動(dòng)邊界技術(shù)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)物體繞流的LBM大渦模擬,根據(jù)計(jì)算得到的作用在運(yùn)動(dòng)物體上的氣動(dòng)力,提出一種新的橋梁氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)識(shí)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(dòng)導(dǎo)數(shù)的識(shí)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(duì)理想平板、箱梁斷面、中央開槽箱梁斷面顫振臨界風(fēng)速的求解驗(yàn)證了雙參數(shù)優(yōu)化模型的正確性。6.借助LBM流固耦合算法探討附加氣動(dòng)措施對(duì)橋梁氣動(dòng)穩(wěn)定性的影響。采用LBM流固耦合算法研究中央穩(wěn)定板、中央開槽寬度對(duì)橋梁顫振穩(wěn)定性的影響以及導(dǎo)流板對(duì)橋梁渦激振動(dòng)的影響,給出了中央穩(wěn)定板、中央開槽寬度改善橋梁顫振穩(wěn)定性的原理和導(dǎo)流板抑制渦激振動(dòng)的機(jī)理。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U442
【目錄】：

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4 郭檻菲;格子Boltzmann方法在氣固兩相流中的應(yīng)用研究[D];山東大學(xué);2015年

5 梁博;采用格子Boltzmann方法的界面對(duì)流現(xiàn)象模擬[D];天津大學(xué);2007年

6 王超;格子Boltzmann方法數(shù)值模擬研究[D];南京航空航天大學(xué);2008年

7 李健;非角截?cái)嗟目臻g非齊次Boltzmann方程的解的存在性[D];華中科技大學(xué);2007年

8 楊佳慶;格子Boltzmann方法的細(xì)觀滲流數(shù)值模擬[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

9 孫凱華;后臺(tái)階流動(dòng)傳熱的格子Boltzmann模擬[D];天津大學(xué);2009年

10 楊士梅;基于Boltzmann方法繞流的數(shù)值計(jì)算[D];大慶石油學(xué)院;2010年

  本文關(guān)鍵詞：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，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：60114