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，國內(nèi)外已有許多學(xué)者分別采用現(xiàn)場實測、理論分析、節(jié)段模型風(fēng)洞試驗及數(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)雜性及其流場和風(fēng)壓場測試的難度，目前人們?nèi)詫π崩黠L(fēng)雨激振誘發(fā)機理和物理本質(zhì)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(fēng)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(fēng)雨激振機理。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，進一步研究斜拉索風(fēng)雨激振繞流場結(jié)構(gòu)與機理。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(yīng)網(wǎng)格

3、建模和正交投影算法求解泊松方程，提高其收斂和運算速度;采用亞格子應(yīng)力模型考慮湍流效應(yīng)，實現(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，計算和分析了來流風(fēng)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(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(nèi)外學(xué)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(fēng)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(zhì)界面處質(zhì)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(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、表面張力項誤差導(dǎo)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(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、水平脈動風(fēng)速和體積分數(shù)梯度進行主動自適應(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，實現(xiàn)真實風(fēng)雨場作用下斜拉索風(fēng)雨激振數(shù)值模擬。多相多尺度算法針對真實風(fēng)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(zhì)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(yīng)力模型考慮端流效應(yīng)、基于水平脈動風(fēng)速和渦量梯度的自適應(yīng)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(dāng)雨滴從 LES區(qū)域運動至 DNS區(qū)域時，基于雨滴質(zhì)量、動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

7、現(xiàn)斜拉索風(fēng)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(zhì)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(jié)果通過與風(fēng)洞實驗結(jié)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(fēng)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(fēng)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