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桥梁结构气动弹性数值计算的Lattice Boltzmann方法
| 论文题名： | 桥梁结构气动弹性数值计算的Lattice Boltzmann方法 |
| 关键词： | 桥梁结构;气动力计算;湍流模拟;动网格技术 |
| 摘要： | 传统的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法是求解基于连续介质假设的宏观变量Navier-Stokes方程，由于桥梁结构的复杂性和特殊性，这种宏观模型在求解桥梁结构气动弹性问题时存在许多限制条件，特别是雷诺数值较低。本文采用基于分子运动论的LatticeBoltzmann(LB)基本方法，试图建立适合于实际雷诺数桥梁结构气动弹性数值计算的拓展LB方法，主要完成了以下几个方面的工作，并获得了相应的结论。 1.从分子运动论和流体力学基本理论出发，建立了描述不可压缩粘性流动的LBGK方程及其三维离散模型：依据流场粒子演化运算的特点，设计了区域分解并行算法，并架构了基于消息传递并行模型和面向对象思想的LB并行计算软件。计算结果表明，LB基本方法只能模拟雷诺数小于1,000的方柱绕流和10,000的其他非流线几何形体流动，无法模拟雷诺数更高特别是复杂外形物体的绕流。 2.在LB基本方法基础上，从气动力计算方法、曲面边界处理格式和出口边界处理格式以及局部加密网格模型方面对LB计算方法进行改进，提高了LB方法的计算效率、精度和数值稳定性，实现了雷诺数为100,000的理想平板绕流和雷诺数为1,000的圆柱绕流计算，其结果与理论解和试验结果吻合良好。 3.基于湍流理论和分子运动论，用亚格子模型模拟湍流粘性，通过湍流松弛时间修正的LBGK方程来描述湍流运动，提出了湍流松弛时间模型。结合Smagorinsky模型，建立了直接从粒子分布函数来计算湍流松弛时间的方法。利用该方法将圆柱绕流的雷诺数进一步提高到了140,000，并成功模拟了雷诺数为22,000的方柱绕流。 4.利用上述拓展的LB方法及其软件对常规风洞条件下缩尺桥梁结构的静力三分力系数、旋涡脱落频率和流态分布进行了模拟计算，其结果与风洞试验结果吻合一致；实际雷诺数为4,000,000的GreatBelt东桥引桥主梁和实际雷诺数为1,400,000的苏通长江大桥闭口箱梁绕流模拟计算结果，与相应雷诺数的试验结果基本吻合；对不同雷诺数的青岛海湾桥分体双箱梁绕流进行模拟计算，结果表明该桥分体双箱梁的雷诺数效应并不明显。 5.根据动网格技术和流体力学基本原理，在非惯性参考系中研究了刚体运动区域内的流体粒子运动，采用惯性力分布函数反映固体运动对流体粒子演化的影响，提出了惯性算子LBGK模型，并推导了三维离散速度模型的惯性力分布函数。通过作强迫振动桥梁结构的绕流计算，模拟了流态随结构运动的演化过程，得到的气动力时程与结构的运动具有很强的相关性，识别的气动导数与试验结果基本一致。 |
| 作者： | 刘天成 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 葛耀君;曹丰产 |
| 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 |
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