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原文传递斜拉索风雨激振数值模拟研究

论文题名：	斜拉索风雨激振数值模拟研究
关键词：	计算多相流体动力学;斜拉索;风雨激振;数值模拟;大跨度桥梁
摘要：	流固親合失稳现象常发生在亚临界雷诺数流速区的多相介质流动中，大跨度桥梁斜拉索风雨激振是其典型案例之?。斜拉索风雨激振威胁桥梁整体结构的安全性能，国内外已有许多学者分别采用现场实测、理论分析、节段模型风洞试验及数值模拟方法研究大跨度桥梁斜拉索风雨激振现象与机理。但由于斜拉索风雨激振物理本质的复杂性及其流场和风压场测试的难度，目前人们仍对斜拉索风雨激振诱发机理和物理本质缺乏统一清晰的认识。由于数值模拟方法可以得到流固親合绕流场、风压场等重要变量，因此，本文采用数值模拟方法研究斜拉索风雨激振机理。具体内容如下: 　　首先，提出基于固定刚性人工水线模型的斜拉索风雨激振高精度数值模拟算法，进一步研究斜拉索风雨激振绕流场结构与机理。本算法假设在斜拉索上固定刚性固体人工水线，模拟斜拉索风雨激振过程中水线的作用，进而研究斜拉索绕流场和气动特性的影响机理和规律。针对商业软件求解压力泊松方程效率低和易发散等问题，本文提出采用高精度空间离散格式、半隐式二阶时间离散格式、主动自适应网格建模和正交投影算法求解泊松方程，提高其收敛和运算速度;采用亚格子应力模型考虑湍流效应，实现斜拉索尾部游祸脱落结构的高精度模拟。采用本文提出的算法，计算和分析了来流风作用下带固定刚性人工水线斜拉索压力分布、气动特性、绕流场结构与尾部游祸脱落的特征与规律。　　其次，提出斜拉索风雨激振高精度数值模拟親合算法，并计算和分析水线时空演化非线性过程、以及斜拉索表面压力分布、气动特性与尾部游祸脱落的特征与规律。由于固定刚性水线无法模拟水线在斜拉索上生成位置和形态变化，国内外学者提出将雨膜覆盖在斜拉索表面的计算模型，以研究来流风作用下斜拉索上水线生成演化过程。针对前人采用该模型计算水线生成过程时忽略了多相介质界面处质量、动量、能量和湍流的输运，以及传统多相界面捕捉算法中界面重构算法精度低、重构界面不连续导致界面曲率误差大、表面张力项误差导致界面伪流速等问题，本文提出流体体积分数方程高效高精度数值求解格式、采用改进多相界面高度函数法降低界面曲率不连续误差、以及连续平衡表面张力算法抑制伪流速等问题，并采用基于叉树理论的主动自适应网格建模方法提高数值求解速度(即基于相界面曲率梯度、水平脉动风速和体积分数梯度进行主动自适应网格建模)。　　第三，提出斜拉索风雨激振数值模拟的多相多尺度模型，实现真实风雨场作用下斜拉索风雨激振数值模拟。多相多尺度算法针对真实风雨场将流体计算区域分解为直接数值模拟区域(Direct Numerical Simulation, DNS)和大祸模拟区域(Large Eddy Simulation, LES)，即在近索表面区域米用 DNS方法，引入流体体积分数方程追踪多相流体介质的运动界面;在远离拉索区域采用LES方法，提出采用拉格朗日粒子追踪算法追踪雨滴运动界面、亚格子应力模型考虑端流效应、基于水平脉动风速和涡量梯度的自适应加密网格建模方法实现对雨滴运动轨迹的高精度快速捕捉°当雨滴从 LES区域运动至 DNS区域时，基于雨滴质量、动量和能量守恒条件将其从固体转化为液体状态;反之，则将液态雨滴转化为固体颗粒状态，从而实现斜拉索风雨激振多相多尺度的高精度和精细化数值模拟。基于雨谱质量、动量和能量守恒提出简化雨滴直径谱模型，提高雨滴运动轨迹捕捉以及其在斜拉索表面时空演化规律的计算效率0计算结果通过与风洞实验结果对比验证本算法的可靠性与准确性。　　最后，本文基于多相多尺度模型系统深入分析研究斜拉索风雨激振现象中雨滴在斜拉索表面时空演化过程及雨膜形态的空间分布与动力特性、以及斜拉索风雨激振全过程中拉索表面压力、气动特性、绕流场与尾部漩涡脱落特征及规律，进一步揭示斜拉索风雨激振机理。研究结果表明，在一定降雨强度下，斜拉索周向水膜形态演化过程主要取决于来流风速;在临界风速时，雨滴在斜拉索表面形成的上水线沿斜拉索周向周期性振动，且振动频率呈现低频特征;上水线振动导致斜拉索流场结构发生变化、并导致斜拉索尾部游祸脱落频率远远低于圆柱经典Von Karman册涡街脱落频率;当斜拉索自振频率、水线沿斜拉索周向振动主频及斜拉索尾部漩涡脱落主频相互锁定时，斜拉索风雨激振发生。
作者：	程鹏
专业：	工程力学
导师：	李惠
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文