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文檔簡介
1、隨著計算機(jī)科學(xué)和數(shù)值求解技術(shù)的飛速發(fā)展,基于計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamic,CFD)的湍流風(fēng)場數(shù)值模擬以及風(fēng)和結(jié)構(gòu)的流固耦合(Fluid-Structure Interaction,F(xiàn)SI)分析已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程中的研究熱點(diǎn)。
首先,提出了一種計算不可壓縮粘性流問題的新型穩(wěn)定化流體有限元方法。將半隱式三步方法(Three-step Method)和流線迎風(fēng)Petrov-Galerkin(S
2、UPG)穩(wěn)定化方法相結(jié)合,運(yùn)用SUPG迎風(fēng)格式進(jìn)行空間離散,對速度場和壓力場則采用同階的線性插值函數(shù),從而有效提高了流體速度和壓力的計算穩(wěn)定性與計算效率。方腔拖拽流、平行四邊形腔拖拽流以及三角形腔拖拽流的數(shù)值計算結(jié)果與已有文獻(xiàn)結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了本文方法的精確性和有效性。
其次,在本文的新型穩(wěn)定化流體有限元方法的基礎(chǔ)上,發(fā)展了一種新型穩(wěn)定化流體有限元大渦模擬方法。將經(jīng)典Smagorinsky亞格子模型(Sub-grid Sca
3、le model)與SUPG穩(wěn)定化方法相結(jié)合,并成功應(yīng)用于瞬態(tài)、非定常高雷諾數(shù)湍流流場的數(shù)值模擬。對空間離散,采用速度和壓力同階的插值函數(shù);對時間離散,采用二階精度且高穩(wěn)定化的三步方法。數(shù)值計算顯示,本方法可有效消除高雷諾數(shù)下的速度場和壓力場的數(shù)值振蕩現(xiàn)象,在較粗糙網(wǎng)格條件下得到較準(zhǔn)確的速度場、壓力場和氣動力特性參數(shù)等計算結(jié)果。
第三,針對動態(tài)亞格子模型(Dynamic Sub-grid Scale model)的濾波過程,將
4、節(jié)點(diǎn)濾波函數(shù)和廣義盒式濾波函數(shù)相結(jié)合,發(fā)展了一種簡單、快速的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格濾波方法。在本文的新型穩(wěn)定化流體有限元方法和動態(tài)亞格子模型的基礎(chǔ)上,發(fā)展了一種適用于模擬結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場湍流流動特性的新型動態(tài)大渦模擬方法。數(shù)值計算結(jié)果表明,本方法可模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)形體周圍的湍流流動問題,刻畫建筑結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場的特征旋渦結(jié)構(gòu)。
第四,針對流體域網(wǎng)格更新問題,本文改進(jìn)了彈簧近似法(Spring Analogy Method),在彈簧剛度定義中考慮了網(wǎng)
5、格形狀和尺度的影響。改進(jìn)彈簧近似法具備線性彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧的優(yōu)點(diǎn),適用于二維和三維邊界移動問題。另一方面,基于本文新型穩(wěn)定化流體有限元大渦模擬方法,推導(dǎo)了任意拉格朗日-歐拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)描述下的風(fēng)場控制方程有限元列式,并用于數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)在大振幅強(qiáng)迫振動下的湍流風(fēng)場。
最后,針對大跨空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動問題,運(yùn)用流固耦合(FSI)力學(xué)理論,建立了結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析方法,即采用包含流體
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