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(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)

2、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MR

3、T-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(chǎng)求解器，利

4、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

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(duì)長(zhǎng)寬比B/D=2矩形方柱的渦激振動(dòng)和馳振、長(zhǎng)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(chǎng)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

6、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