穩(wěn)定化有限元新方法與多鈍體繞流和流固耦合問題研究.pdf

1、“多鈍體繞流和流固耦合作用”問題廣泛存在于工程領(lǐng)域，如風(fēng)與工程結(jié)構(gòu)(高層建筑、大跨空間建筑結(jié)構(gòu)、大跨度斜拉橋和懸索橋拉索系統(tǒng))的相互作用，海水與海洋工程立管系統(tǒng)的相互作用等。世界上因風(fēng)或海水的作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物破壞的事故常有發(fā)生?？茖W(xué)認(rèn)識(shí)理解“多鈍體繞流和流固耦合”問題已成為國際上的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義，而且具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。然而，該領(lǐng)域的研究遠(yuǎn)未成熟。運(yùn)用有限元方法研究“多鈍體繞流和流固耦合”問題是近年來興起的新方法，

2、但至今該類方法仍有待深化。
　　本文針對(duì)土木結(jié)構(gòu)風(fēng)工程和海洋工程的重大需求，提煉出“流體-多鈍體群”系統(tǒng)作為研究對(duì)象，發(fā)展了穩(wěn)定化有限元新型數(shù)值方法，研究了多鈍體結(jié)構(gòu)的繞流和流固耦合關(guān)鍵科學(xué)問題，分析了多柱體流動(dòng)互擾效應(yīng)和流態(tài)分布、尾流振動(dòng)和多柱體流固耦合相互作用，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)如下：
　　1.提出了三種流體穩(wěn)定化有限元新型格式：3-TCBS，ICBS和ICBS-SA，為解決“多鈍體繞流”問題提供了更有力的計(jì)算方法。具

3、體包括：針對(duì)傳統(tǒng)顯式特征線分裂算子（Characteristic-based split；CBS）有限元格式穩(wěn)定性較差的不足，提出了兩種穩(wěn)定性更強(qiáng)的半隱式CBS有限元格式，即三步半隱式Taylor特征線分裂新型格式（3-TCBS）和單步半隱式CBS有限元新型格式（ICBS）；這兩種格式可有效解決層流范圍內(nèi)的不可壓縮黏性流體計(jì)算問題，與傳統(tǒng)CBS格式相比，允許更大的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，明顯提高了計(jì)算穩(wěn)定性。將ICBS方法與Spalart-All

4、maras（SA）湍流模型相結(jié)合，發(fā)展了穩(wěn)定化有限元新型格式ICBS-SA，該格式保持了ICBS方法高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，解決了亞臨界雷諾數(shù)湍流流動(dòng)計(jì)算問題。
　　2.構(gòu)建了求解“多鈍體流固耦合”問題的流體有限元新型格式，即ICBS-ALE，為解決多鈍體群的流固耦合問題提供了新算法。具體包括：針對(duì)不可壓縮黏性流體的“流體-剛體流固耦合”問題，建立了任意拉格朗日-歐拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian；ALE）描

5、述下的ICBS穩(wěn)定化有限元格式，ICBS-ALE；與一種改進(jìn)全局穩(wěn)定化動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了高效分區(qū)耦合新算法，并應(yīng)用于鈍體結(jié)構(gòu)流固耦合相互作用的分析計(jì)算。該格式解決了剛體多周期雙向運(yùn)動(dòng)后的流體網(wǎng)格失效問題，為研究復(fù)雜鈍體群渦激振動(dòng)和尾流流致振動(dòng)問題提供了更穩(wěn)定的數(shù)值方法。
　　3.系統(tǒng)研究了幾類靜止多鈍體群的繞流問題。具體包括：針對(duì)冷卻塔、糧倉、高層建筑等土木工程的抗風(fēng)和海洋工程立管的抗風(fēng)浪流等工程背景，系統(tǒng)研究了靜止“并排三

6、圓柱群”、靜止“正方形排列四圓柱群”和靜止“并排雙方柱”等情形的鈍體結(jié)構(gòu)群繞流問題，揭示了柱體間距比、雷諾數(shù)和湍流模式對(duì)靜止結(jié)構(gòu)群繞流特性、氣動(dòng)參數(shù)等的影響規(guī)律，闡明了其內(nèi)在力學(xué)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，多鈍體繞流的尾流流態(tài)包括單鈍體尾流流態(tài)、穩(wěn)態(tài)等多種流態(tài)，不同流態(tài)下鈍體的升力系數(shù)和阻力系數(shù)曲線均有其各自特征，多鈍體繞流的尾流流態(tài)比單鈍體、雙鈍體復(fù)雜得多。
　　4.首次系統(tǒng)研究了“靜止方柱-雙自由度運(yùn)動(dòng)圓柱”系統(tǒng)的尾流振動(dòng)問題，研究結(jié)果可

7、為分析超高層建筑群和橋梁拉索群的風(fēng)致互擾等的尾流振動(dòng)問題提供理論支撐。具體包括：針對(duì)來風(fēng)作用下超高層建筑群和橋梁拉索群的風(fēng)致互擾振動(dòng)等土木工程背景，提煉了“尾流振動(dòng)”關(guān)鍵科學(xué)問題，采用 ICBS-ALE格式，研究了“靜止方柱-雙自由度運(yùn)動(dòng)圓柱”在層流全范圍下的頻率分布和尾流特性，分析了雷諾數(shù)和來流折合速度對(duì)該系統(tǒng)的影響，揭示了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流致動(dòng)力響應(yīng)和尾渦模式特征，闡明了流動(dòng)互擾條件下流動(dòng)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)自振頻率特征在流體-結(jié)構(gòu)耦合響應(yīng)中的相

8、互作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，“尾流振動(dòng)”引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)通常大于均勻來流引起的響應(yīng)，上游柱體的形狀變化對(duì)下游圓柱的尾流振動(dòng)效應(yīng)影響顯著。
　　5.系統(tǒng)研究了“正方形排列四圓柱群”的雙向渦激振動(dòng)問題，為分析海洋工程立管渦激振動(dòng)、風(fēng)與高聳塔架相互作用等應(yīng)用問題提供了有力支撐。具體包括：針對(duì)海水與海洋工程立管、風(fēng)與輸電塔架相互作用等工程背景，提煉了“四圓柱群渦激振動(dòng)”關(guān)鍵科學(xué)問題，采用ICBS-ALE格式，研究了在雷諾數(shù)Re=160下不同折合速

9、度對(duì)鈍體結(jié)構(gòu)群的動(dòng)力學(xué)特性影響，揭示了該流固耦合系統(tǒng)的振動(dòng)模式、頻率特征和流體尾流分布特性，闡明了流體和四圓柱群相互作用的力學(xué)機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，“四圓柱群”系統(tǒng)的渦激振動(dòng)現(xiàn)象遠(yuǎn)比單圓柱或雙圓柱的復(fù)雜。
　　本文提出和發(fā)展的穩(wěn)定化有限元算法，為研究“多鈍體繞流和流固耦合作用”問題提供了更佳穩(wěn)定性的計(jì)算方法；圍繞工程需求，針對(duì)所提煉關(guān)鍵共性問題所獲得的研究成果和科學(xué)發(fā)現(xiàn)，對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)理解“多鈍體繞流和流固耦合作用”問題及其力學(xué)機(jī)理具有重要