典型鈍體結(jié)構(gòu)流致效應(yīng)分析與計(jì)算方法研究.pdf

1、鈍體結(jié)構(gòu)廣泛存在于土木工程、海洋工程等諸多工程領(lǐng)域，但鈍體繞流和流致振動(dòng)問(wèn)題研究至今遠(yuǎn)未成熟。本文面向土木工程和海洋工程中的重大需求，圍繞鈍體繞流和流固耦合等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，提出并運(yùn)用創(chuàng)新的數(shù)值方法，深入系統(tǒng)地開(kāi)展鈍體繞流性態(tài)、氣動(dòng)特征、流動(dòng)互擾以及流固耦合效應(yīng)和機(jī)制等基礎(chǔ)性研究，著重分析鈍體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵幾何特征，如相對(duì)于來(lái)流方向的偏轉(zhuǎn)角、截面形狀、相鄰結(jié)構(gòu)間的互擾效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)流致響應(yīng)（包括流固耦合響應(yīng)）

2、的影響方式、規(guī)律、物理本質(zhì)和流動(dòng)機(jī)制。主要?jiǎng)?chuàng)新體現(xiàn)如下:
　　首先，本文提出新型穩(wěn)定化流體有限元格式，為鈍體繞流研究提供了強(qiáng)有力的計(jì)算方法。主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于一是為消除傳統(tǒng)基于特征線(xiàn)分裂算子(Charactersitic-Based-Split; CBS)有限元法由時(shí)間分裂引起的計(jì)算誤差，提出了一種無(wú)需時(shí)間分裂的基于分步Taylor展開(kāi)的新型特征線(xiàn)Galerkin有限元格式;二是通過(guò)引入速度—壓力混合單元和壓力梯度投影穩(wěn)定化技術(shù)，在

3、增量投影算法框架內(nèi)，提出了兩種二階時(shí)間精度的新型CBS有限元格式;三是基于迎風(fēng)流線(xiàn)Petrov-Galerkin穩(wěn)定化格式，引入一方程Sparlart-Allmaras湍流模型，提出了適用于高雷諾數(shù)湍流流動(dòng)問(wèn)題的求解雷諾平均方程的新型有限元格式。
　　其次，把二階時(shí)間精度CBS格式推廣至任意拉格朗日—?dú)W拉(ALE)描述下，且與一種改進(jìn)高性能動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了適用于鈍體結(jié)構(gòu)流固耦合問(wèn)題的高效分區(qū)耦合算法。該算法為本文研究復(fù)雜鈍

4、體（群）結(jié)構(gòu)流致振動(dòng)問(wèn)題提供了精確、穩(wěn)定的數(shù)值方法。
　　再次，高層建筑、塔桅建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中遇到的截面類(lèi)型均呈鈍體形態(tài)，鑒于此，本文系統(tǒng)研究了典型截面鈍體結(jié)構(gòu)（群）繞流問(wèn)題，揭示了偏轉(zhuǎn)角、截面形狀以及鈍體結(jié)構(gòu)群布置方式等關(guān)鍵幾何特征對(duì)靜止結(jié)構(gòu)繞流性態(tài)、氣動(dòng)特征等的基本影響規(guī)律，并闡明了其內(nèi)在關(guān)鍵機(jī)制。
　　第四，受迫振動(dòng)結(jié)構(gòu)的非定常尾流可誘發(fā)頻率鎖定、尾流模態(tài)轉(zhuǎn)移以及流動(dòng)滯回和分叉等豐富的流動(dòng)現(xiàn)象。針對(duì)流體與受迫振動(dòng)結(jié)構(gòu)間

5、耦合問(wèn)題，本文深入研究了并列雙圓柱受迫振動(dòng)時(shí)的流動(dòng)互擾效應(yīng);通過(guò)觀察和分析尾流頻率響應(yīng)、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和尾流響應(yīng)相位關(guān)系、流體和結(jié)構(gòu)間能量傳遞和瞬態(tài)流場(chǎng)，精細(xì)識(shí)別了尾流的基本流動(dòng)響應(yīng)狀態(tài)，闡明了互擾效應(yīng)下的結(jié)構(gòu)尾流非對(duì)稱(chēng)性質(zhì)的內(nèi)在機(jī)理及其對(duì)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力特征的影響機(jī)制。
　　第五，鑒于當(dāng)多體結(jié)構(gòu)相鄰位置比較臨近情況下，其渦激振動(dòng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化，本文深入研究了靜止—自由振動(dòng)圓柱體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的互擾問(wèn)題。系統(tǒng)揭示了結(jié)構(gòu)互擾下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特

6、征、流—固系統(tǒng)的耦合行為關(guān)鍵特征，識(shí)別了靜止—自由振動(dòng)系統(tǒng)的基本尾流模式，闡釋了鈍體結(jié)構(gòu)的尾激振動(dòng)物理機(jī)制。
　　第六，針對(duì)鈍體結(jié)構(gòu)的雙向共振問(wèn)題，系統(tǒng)研究了單圓柱和順排雙圓柱在不同橫向、縱向固有頻率值下的流致響應(yīng)和尾流特性。詳細(xì)揭示了雙向共振狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)和尾渦模式特征，辨識(shí)了雙向共振響應(yīng)的發(fā)生條件，深刻闡明和揭示了流動(dòng)互擾條件下的尾流效應(yīng)和結(jié)構(gòu)自振頻率特征在結(jié)構(gòu)流致響應(yīng)中的相互作用機(jī)制。
　　本文創(chuàng)新性成果為深刻認(rèn)