斜拉索風雨激振數(shù)值模擬研究.pdf

1、流固親合失穩(wěn)現(xiàn)象常發(fā)生在亞臨界雷諾數(shù)流速區(qū)的多相介質流動中，大跨度橋梁斜拉索風雨激振是其典型案例之?。斜拉索風雨激振威脅橋梁整體結構的安全性能，國內外已有許多學者分別采用現(xiàn)場實測、理論分析、節(jié)段模型風洞試驗及數(shù)值模擬方法研究大跨度橋梁斜拉索風雨激振現(xiàn)象與機理。但由于斜拉索風雨激振物理本質的復雜性及其流場和風壓場測試的難度，目前人們仍對斜拉索風雨激振誘發(fā)機理和物理本質缺乏統(tǒng)一清晰的認識。由于數(shù)值模擬方法可以得到流固親合繞流場、風壓場等重要

2、變量，因此，本文采用數(shù)值模擬方法研究斜拉索風雨激振機理。具體內容如下:
　　首先，提出基于固定剛性人工水線模型的斜拉索風雨激振高精度數(shù)值模擬算法，進一步研究斜拉索風雨激振繞流場結構與機理。本算法假設在斜拉索上固定剛性固體人工水線，模擬斜拉索風雨激振過程中水線的作用，進而研究斜拉索繞流場和氣動特性的影響機理和規(guī)律。針對商業(yè)軟件求解壓力泊松方程效率低和易發(fā)散等問題，本文提出采用高精度空間離散格式、半隱式二階時間離散格式、主動自適應網(wǎng)格

3、建模和正交投影算法求解泊松方程，提高其收斂和運算速度;采用亞格子應力模型考慮湍流效應，實現(xiàn)斜拉索尾部游禍脫落結構的高精度模擬。采用本文提出的算法，計算和分析了來流風作用下帶固定剛性人工水線斜拉索壓力分布、氣動特性、繞流場結構與尾部游禍脫落的特征與規(guī)律。
　　其次，提出斜拉索風雨激振高精度數(shù)值模擬親合算法，并計算和分析水線時空演化非線性過程、以及斜拉索表面壓力分布、氣動特性與尾部游禍脫落的特征與規(guī)律。由于固定剛性水線無法模擬水線在斜

4、拉索上生成位置和形態(tài)變化，國內外學者提出將雨膜覆蓋在斜拉索表面的計算模型，以研究來流風作用下斜拉索上水線生成演化過程。針對前人采用該模型計算水線生成過程時忽略了多相介質界面處質量、動量、能量和湍流的輸運，以及傳統(tǒng)多相界面捕捉算法中界面重構算法精度低、重構界面不連續(xù)導致界面曲率誤差大、表面張力項誤差導致界面?zhèn)瘟魉俚葐栴}，本文提出流體體積分數(shù)方程高效高精度數(shù)值求解格式、采用改進多相界面高度函數(shù)法降低界面曲率不連續(xù)誤差、以及連續(xù)平衡表面張力算

5、法抑制偽流速等問題，并采用基于叉樹理論的主動自適應網(wǎng)格建模方法提高數(shù)值求解速度(即基于相界面曲率梯度、水平脈動風速和體積分數(shù)梯度進行主動自適應網(wǎng)格建模)。
　　第三，提出斜拉索風雨激振數(shù)值模擬的多相多尺度模型，實現(xiàn)真實風雨場作用下斜拉索風雨激振數(shù)值模擬。多相多尺度算法針對真實風雨場將流體計算區(qū)域分解為直接數(shù)值模擬區(qū)域(Direct Numerical Simulation, DNS)和大禍模擬區(qū)域(Large Eddy Simul

6、ation, LES)，即在近索表面區(qū)域米用 DNS方法，引入流體體積分數(shù)方程追蹤多相流體介質的運動界面;在遠離拉索區(qū)域采用LES方法，提出采用拉格朗日粒子追蹤算法追蹤雨滴運動界面、亞格子應力模型考慮端流效應、基于水平脈動風速和渦量梯度的自適應加密網(wǎng)格建模方法實現(xiàn)對雨滴運動軌跡的高精度快速捕捉°當雨滴從 LES區(qū)域運動至 DNS區(qū)域時，基于雨滴質量、動量和能量守恒條件將其從固體轉化為液體狀態(tài);反之，則將液態(tài)雨滴轉化為固體顆粒狀態(tài)，從而實

7、現(xiàn)斜拉索風雨激振多相多尺度的高精度和精細化數(shù)值模擬?；谟曜V質量、動量和能量守恒提出簡化雨滴直徑譜模型，提高雨滴運動軌跡捕捉以及其在斜拉索表面時空演化規(guī)律的計算效率0計算結果通過與風洞實驗結果對比驗證本算法的可靠性與準確性。
　　最后，本文基于多相多尺度模型系統(tǒng)深入分析研究斜拉索風雨激振現(xiàn)象中雨滴在斜拉索表面時空演化過程及雨膜形態(tài)的空間分布與動力特性、以及斜拉索風雨激振全過程中拉索表面壓力、氣動特性、繞流場與尾部漩渦脫落特征及規(guī)律