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原文传递大涡模拟在桥梁风工程中的应用

论文题名：	大涡模拟在桥梁风工程中的应用
关键词：	桥梁工程;风力荷载;湍流风场;大涡模拟
摘要：	本文利用CFD方法，采用非结构化网格下的有限体积法，利用大涡模型进行湍流的模拟，并结合ALE格式下的动网格方法进行了较常用断面的静止、运动状态下流场数值模拟，及复杂工程问题的绕流场数值模拟，主要研究工作如下： ⑴有限体积法求解流体控制N—S方程，在非结构化网格下实现空间、时间的离散格式。通过使用非结构化网格，使得流场网格划分变得容易，从而便于求解工程中较复杂的流场。 ⑵采用大涡模拟的方法进行湍流计算，主要开发了基本SSGS模型、动态DSGS模型和结构函数SF模型三个大涡模型的计算模块；并利用该程序对经典的方形断面、矩形断面和置于地面的三维方柱进行了流场的数值模拟。通过与实验结果的对比，可以认为程序的计算结果是合理的，具备三维流场的模拟功能。 ⑶推导了基于ALE格式的动网格格式，并论述了动网格方法应用过程中保持几何守恒法则（GCL）的重要性；然后重点讨论在运动边界情况，如何利用修正弹簧法保证网格更新后的质量。通过几个断面大转角、大位移后的网格更新试验，证明了该方法的优越性。 ⑷对桥梁结构中较常用的箱型断面、边主梁断面、苏通大桥主桥成桥断面及连续刚构桥进行了二维、三维的流场数值模拟。通过与试验结果的对比可以看出，三种大涡模型中动态DSGS模型整体表现略优，结构函数SF模型略差；对于在展长方向具有对称性的结构，二维的计算结果与三维相差不大，但计算效率大大提高，因此二维计算很有实用性；通过连续刚构桥的流场数值模拟，可以看出本程序基本可以进行复杂工程问题的三维流场模拟。 ⑸利用动网格方法，采用强迫振动原理获得任意时刻运动断面所受的气动荷载，从而利用总体最小二乘法进行了箱梁断面和边主梁断面的气动导数识别研究，计算结果显示该方法是获得桥梁断面气动导数的一种有效方法。 ⑹针对湍流风场的模拟，分别进行了直接法生成和人工合成两种方法，计算结果显示人工合成法更容易得到与目标谱相一致的湍流风场。模拟计算了各种湍流风场下方形、矩形及箱梁断面的绕流场和气动参数，结果显示了湍流风场对断面气动参数的影响较明显。对流场的影响主要表现在尾涡的形成，阻力系数随湍流度的增加而减小，其减小主要因素在于背压区压力的减小。通过增加湍流度确实取到了抑制箱梁断面雷诺数效应的功能，并对该断面的气动导纳函数进行了初步的研究。
作者：	艾辉林
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	陈艾荣
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学土木工程学院
学位年度：	2007
正文语种：	中文