新型格子Boltzmann流固耦合算法研究及其在橋梁風工程中的應用.pdf

1、現(xiàn)代橋梁的跨度越來越大，結構更加輕柔，更容易發(fā)生風致振動。為避免發(fā)生有害的風致振動，如顫振和渦激振動，大跨度橋梁抗風設計越來越重要。目前，計算機和計算機輔助設計領域取得的巨大成就使以計算流體動力學為基礎的虛擬風洞技術已經(jīng)成為計算橋梁氣動彈性響應和進行橋梁風振分析的可行工具。宏觀流體力學計算方法，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

2、構的氣動彈性計算，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數(shù)的識別等橋梁抗風中的關鍵問題進行研究。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)格技術擴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亞格子應力模型引入分塊網(wǎng)格MRT-LBM中，構造了一種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構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)境中鈍體結構繞流的能力。
　　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)動力學響應，結合LBM運動邊界和新生流體粒子分布函數(shù)的重構，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顫振及福斯橋彎扭兩自由顫振進行了數(shù)值研究。數(shù)值算例表明IIB-LBM可以準確的計算方柱和橋梁的氣動彈性響應，可以準確識別不同氣動彈性響應下流場的渦結構。對IIB-LBM和MB-LBM進行了對比研究，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.橋梁氣動導數(shù)的MRT-LBM-DSM識別。采用MRT-LBM-DSM和LBM的運動邊界技術實現(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數(shù)的識別。將顫振臨界風速和顫振臨界頻率的求解問題轉化為優(yōu)化問題，建立了搜索顫振臨界風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