含運(yùn)動(dòng)邊界鈍體繞流風(fēng)場(chǎng)的大渦模擬數(shù)值算法.pdf

1、薄膜屋蓋結(jié)構(gòu)與風(fēng)場(chǎng)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(zhǔn)確模擬流體域的時(shí)變特性是掌握流固耦合效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)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(yùn)動(dòng)中的流體域是含動(dòng)邊界的鈍體繞流近地風(fēng)場(chǎng)，在采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行大渦模擬（Large-eddy Simulation，LES）數(shù)值近似計(jì)算時(shí)，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(diǎn)問題之一。在求解近地風(fēng)場(chǎng)大渦模擬控制方程時(shí)，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(duì)壓力的計(jì)算在時(shí)間方向上比速度的計(jì)算至少低一階精度，而壓力場(chǎng)的時(shí)間精度將直接影響流固耦合效應(yīng)的計(jì)算精度。因此，投影法的壓力時(shí)間精度還有待提高。此外，動(dòng)邊界繞流模擬適宜在任意拉格朗日歐拉(Arbitrary Lagrangian Eulerian，ALE)動(dòng)態(tài)網(wǎng)格框架下進(jìn)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(dòng)網(wǎng)格更新算法僅關(guān)注更新后網(wǎng)格的幾何品質(zhì)，對(duì)更新前后網(wǎng)格一致性的測(cè)試不夠;而動(dòng)網(wǎng)格更新算法的計(jì)算耗時(shí)也是需要考慮的一個(gè)課題。
　　針對(duì)上述問題，本文對(duì)亞格子模型、投影法及其在ALE動(dòng)態(tài)網(wǎng)格下的應(yīng)用以及動(dòng)網(wǎng)格更新技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)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(cè)試和對(duì)比。在闡述近地風(fēng)場(chǎng)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?yàn)橛?jì)算平臺(tái)，對(duì)多種亞格子模型的適用性、準(zhǔn)確性和計(jì)算效率進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，鈍體繞流風(fēng)場(chǎng)的大渦模擬工程應(yīng)用中可以采用阻尼修正的標(biāo)準(zhǔn)S模型。
　　2、動(dòng)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(dòng)態(tài)網(wǎng)格下建立了大渦模擬控制方程（下文簡(jiǎn)稱ALE-LES方程），并對(duì)方程中的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)參數(shù)和流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行解耦，建立了交錯(cuò)求解方程的數(shù)值計(jì)算方法

5、。期間，為提高數(shù)值方法的時(shí)間計(jì)算精度，構(gòu)造了壓力和速度能達(dá)到同一高階時(shí)間精度的全精度連續(xù)投影方法，并將其與求解網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的二階預(yù)測(cè)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(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在貼體坐標(biāo)系下編制了ALE-LES方程求解程序的核心模塊。
　　3、動(dòng)網(wǎng)格更新算法的對(duì)比研究。歸納整理出網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)價(jià)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(dòng)網(wǎng)格更新算法對(duì)網(wǎng)格幾何品質(zhì)的改善力度

6、進(jìn)行了對(duì)比;同時(shí)，對(duì)不同算法在更新前后網(wǎng)格的一致性和計(jì)算效率方面進(jìn)行了測(cè)試，指出九點(diǎn)網(wǎng)格重構(gòu)法綜合性能最為優(yōu)異。將九點(diǎn)網(wǎng)格重構(gòu)法擴(kuò)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(dòng)態(tài)更新子程序模塊。
　　4、數(shù)值模擬程序的開發(fā)和驗(yàn)證。將亞格子模型子程序模塊和網(wǎng)格動(dòng)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(yùn)動(dòng)邊界鈍體繞流風(fēng)場(chǎng)的CFD計(jì)算程序。分別以二維方腔驅(qū)動(dòng)流和Taylor渦列問題驗(yàn)證了程序的

7、穩(wěn)定性和時(shí)間計(jì)算精度。
　　5、振動(dòng)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(duì)象，應(yīng)用本文開發(fā)程序，對(duì)屋蓋以二階諧波模態(tài)振動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)繞流場(chǎng)進(jìn)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(duì)比分析，研究了屋蓋的振動(dòng)對(duì)模型表面風(fēng)壓系數(shù)分布和繞流場(chǎng)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，屋蓋振動(dòng)是影響建筑結(jié)構(gòu)表面平均、脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的重要因素;屋蓋振動(dòng)導(dǎo)致繞流場(chǎng)旋渦結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，特征湍流度增加;屋蓋的振動(dòng)對(duì)繞流場(chǎng)瞬時(shí)風(fēng)壓分布的影