斜拉索風(fēng)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(zhì)流動(dòng)中，大跨度橋梁斜拉索風(fēng)雨激振是其典型案例之?。斜拉索風(fēng)雨激振威脅橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性能，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者分別采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析、節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法研究大跨度橋梁斜拉索風(fēng)雨激振現(xiàn)象與機(jī)理。但由于斜拉索風(fēng)雨激振物理本質(zhì)的復(fù)雜性及其流場(chǎng)和風(fēng)壓場(chǎng)測(cè)試的難度，目前人們?nèi)詫?duì)斜拉索風(fēng)雨激振誘發(fā)機(jī)理和物理本質(zhì)缺乏統(tǒng)一清晰的認(rèn)識(shí)。由于數(shù)值模擬方法可以得到流固親合繞流場(chǎng)、風(fēng)壓場(chǎng)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(fēng)雨激振機(jī)理。具體內(nèi)容如下:
　　首先，提出基于固定剛性人工水線模型的斜拉索風(fēng)雨激振高精度數(shù)值模擬算法，進(jìn)一步研究斜拉索風(fēng)雨激振繞流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與機(jī)理。本算法假設(shè)在斜拉索上固定剛性固體人工水線，模擬斜拉索風(fēng)雨激振過(guò)程中水線的作用，進(jìn)而研究斜拉索繞流場(chǎng)和氣動(dòng)特性的影響機(jī)理和規(guī)律。針對(duì)商業(yè)軟件求解壓力泊松方程效率低和易發(fā)散等問(wèn)題，本文提出采用高精度空間離散格式、半隱式二階時(shí)間離散格式、主動(dòng)自適應(yīng)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(yùn)算速度;采用亞格子應(yīng)力模型考慮湍流效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)斜拉索尾部游禍脫落結(jié)構(gòu)的高精度模擬。采用本文提出的算法，計(jì)算和分析了來(lái)流風(fēng)作用下帶固定剛性人工水線斜拉索壓力分布、氣動(dòng)特性、繞流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與尾部游禍脫落的特征與規(guī)律。
　　其次，提出斜拉索風(fēng)雨激振高精度數(shù)值模擬親合算法，并計(jì)算和分析水線時(shí)空演化非線性過(guò)程、以及斜拉索表面壓力分布、氣動(dòng)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(wú)法模擬水線在斜

4、拉索上生成位置和形態(tài)變化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出將雨膜覆蓋在斜拉索表面的計(jì)算模型，以研究來(lái)流風(fēng)作用下斜拉索上水線生成演化過(guò)程。針對(duì)前人采用該模型計(jì)算水線生成過(guò)程時(shí)忽略了多相介質(zhì)界面處質(zhì)量、動(dòng)量、能量和湍流的輸運(yùn)，以及傳統(tǒng)多相界面捕捉算法中界面重構(gòu)算法精度低、重構(gòu)界面不連續(xù)導(dǎo)致界面曲率誤差大、表面張力項(xiàng)誤差導(dǎo)致界面?zhèn)瘟魉俚葐?wèn)題，本文提出流體體積分?jǐn)?shù)方程高效高精度數(shù)值求解格式、采用改進(jìn)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(wèn)題，并采用基于叉樹(shù)理論的主動(dòng)自適應(yīng)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(dòng)風(fēng)速和體積分?jǐn)?shù)梯度進(jìn)行主動(dòng)自適應(yīng)網(wǎng)格建模)。
　　第三，提出斜拉索風(fēng)雨激振數(shù)值模擬的多相多尺度模型，實(shí)現(xiàn)真實(shí)風(fēng)雨場(chǎng)作用下斜拉索風(fēng)雨激振數(shù)值模擬。多相多尺度算法針對(duì)真實(shí)風(fēng)雨場(chǎng)將流體計(jì)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?jǐn)?shù)方程追蹤多相流體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)界面;在遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)界面、亞格子應(yīng)力模型考慮端流效應(yīng)、基于水平脈動(dòng)風(fēng)速和渦量梯度的自適應(yīng)加密網(wǎng)格建模方法實(shí)現(xiàn)對(duì)雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡的高精度快速捕捉°當(dāng)雨滴從 LES區(qū)域運(yùn)動(dòng)至 DNS區(qū)域時(shí)，基于雨滴質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒條件將其從固體轉(zhuǎn)化為液體狀態(tài);反之，則將液態(tài)雨滴轉(zhuǎn)化為固體顆粒狀態(tài)，從而實(shí)

7、現(xiàn)斜拉索風(fēng)雨激振多相多尺度的高精度和精細(xì)化數(shù)值模擬?；谟曜V質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒提出簡(jiǎn)化雨滴直徑譜模型，提高雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡捕捉以及其在斜拉索表面時(shí)空演化規(guī)律的計(jì)算效率0計(jì)算結(jié)果通過(guò)與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證本算法的可靠性與準(zhǔn)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(fēng)雨激振現(xiàn)象中雨滴在斜拉索表面時(shí)空演化過(guò)程及雨膜形態(tài)的空間分布與動(dòng)力特性、以及斜拉索風(fēng)雨激振全過(guò)程中拉索表面壓力、氣動(dòng)特性、繞流場(chǎng)與尾部漩渦脫落特征及規(guī)律