含運動邊界鈍體繞流風(fēng)場的大渦模擬數(shù)值算法.pdf

1、薄膜屋蓋結(jié)構(gòu)與風(fēng)場之間的流固耦合作用是影響結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的重要因素。數(shù)值模擬是流固耦合研究的重要手段，準確模擬流體域的時變特性是掌握流固耦合效應(yīng)產(chǎn)生機理和發(fā)展規(guī)律的前提。風(fēng)與薄膜結(jié)構(gòu)流固耦合運動中的流體域是含動邊界的鈍體繞流近地風(fēng)場，在采用計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)對其進行大渦模擬（Large-eddy Simulation，LES）數(shù)值近似計算時，仍存在一些亟待解決的問題。

2、r>　　建立適于大型工程應(yīng)用的亞格子模型是大渦模擬方法理論研究中的熱點問題之一。在求解近地風(fēng)場大渦模擬控制方程時，投影法是一種高效的壓力速度解耦算法。目前大多數(shù)投影格式對壓力的計算在時間方向上比速度的計算至少低一階精度，而壓力場的時間精度將直接影響流固耦合效應(yīng)的計算精度。因此，投影法的壓力時間精度還有待提高。此外，動邊界繞流模擬適宜在任意拉格朗日歐拉(Arbitrary Lagrangian Eulerian，ALE)動態(tài)網(wǎng)格框架下進行

3、。模擬過程中網(wǎng)格更新頻繁，其幾何品質(zhì)和更新前后的一致性是影響模擬精度的重要因素。目前大部分動網(wǎng)格更新算法僅關(guān)注更新后網(wǎng)格的幾何品質(zhì)，對更新前后網(wǎng)格一致性的測試不夠;而動網(wǎng)格更新算法的計算耗時也是需要考慮的一個課題。
　　針對上述問題，本文對亞格子模型、投影法及其在ALE動態(tài)網(wǎng)格下的應(yīng)用以及動網(wǎng)格更新技術(shù)等內(nèi)容進行了理論和數(shù)值研究，開展的研究工作和提出的解決方案主要包括:
　　1、亞格子模型的測試和對比。在闡述近地風(fēng)場的大渦模

4、擬無量綱控制方程以及多種亞格子模型的構(gòu)造過程后，在笛卡爾靜態(tài)網(wǎng)格下編制了方程求解程序。以該程序為計算平臺，對多種亞格子模型的適用性、準確性和計算效率進行了測試。結(jié)果表明，鈍體繞流風(fēng)場的大渦模擬工程應(yīng)用中可以采用阻尼修正的標準S模型。
　　2、動態(tài)網(wǎng)格下數(shù)值求解方法的建立。以ALE描述為基礎(chǔ)，在動態(tài)網(wǎng)格下建立了大渦模擬控制方程（下文簡稱ALE-LES方程），并對方程中的網(wǎng)格運動參數(shù)和流動參數(shù)進行解耦，建立了交錯求解方程的數(shù)值計算方法

5、。期間，為提高數(shù)值方法的時間計算精度，構(gòu)造了壓力和速度能達到同一高階時間精度的全精度連續(xù)投影方法，并將其與求解網(wǎng)格運動的二階預(yù)測校正格式相結(jié)合，得到了ALE-LES方程的全二階精度投影格式。將建立的數(shù)值求解方法進行坐標轉(zhuǎn)換，在貼體坐標系下編制了ALE-LES方程求解程序的核心模塊。
　　3、動網(wǎng)格更新算法的對比研究。歸納整理出網(wǎng)格質(zhì)量評價模型，并據(jù)此在兩種畸變網(wǎng)格算例中，為適用于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的多種動網(wǎng)格更新算法對網(wǎng)格幾何品質(zhì)的改善力度

6、進行了對比;同時，對不同算法在更新前后網(wǎng)格的一致性和計算效率方面進行了測試，指出九點網(wǎng)格重構(gòu)法綜合性能最為優(yōu)異。將九點網(wǎng)格重構(gòu)法擴展到三維研究領(lǐng)域并更名為距離加權(quán)法，據(jù)此編制了網(wǎng)格動態(tài)更新子程序模塊。
　　4、數(shù)值模擬程序的開發(fā)和驗證。將亞格子模型子程序模塊和網(wǎng)格動態(tài)更新子程序模塊與求解ALE-LES方程的核心程序相結(jié)合，開發(fā)了適用于模擬含運動邊界鈍體繞流風(fēng)場的CFD計算程序。分別以二維方腔驅(qū)動流和Taylor渦列問題驗證了程序的

7、穩(wěn)定性和時間計算精度。
　　5、振動屋蓋繞流特性的數(shù)值分析。以下部封閉式大跨度平屋蓋結(jié)構(gòu)為研究對象，應(yīng)用本文開發(fā)程序，對屋蓋以二階諧波模態(tài)振動時的結(jié)構(gòu)繞流場進行了數(shù)值模擬，通過與相同尺寸剛性屋蓋結(jié)構(gòu)繞流模擬結(jié)果的對比分析，研究了屋蓋的振動對模型表面風(fēng)壓系數(shù)分布和繞流場流動結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，屋蓋振動是影響建筑結(jié)構(gòu)表面平均、脈動風(fēng)壓系數(shù)的重要因素;屋蓋振動導(dǎo)致繞流場旋渦結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，特征湍流度增加;屋蓋的振動對繞流場瞬時風(fēng)壓分布的影