桥梁绕流湍流仿真和系统特性识别

论文摘要

基于国家自然科学基金项目（编号:50978095）,本文开展了桥梁绕流湍流仿真和系统特性识别研究。主要开展了以下几个方面的工作:1)系统地阐述了工程中常用的湍流模型,总结了每种湍流模型的适用范围和使用要求（网格、Yplus值）,为桥梁计算风工程湍流仿真提供了有益的参考。2)分析了标准k -ε湍流模型和剪应力输运（Shear-Stress Transports,SST） k -ω模型的模型特征和计算要求,并分别采用它们识别了桥梁断面的颤振导数。研究表明,基于合理的计算域和网格划分,这两种湍流模型均能较准确地识别桥梁断面的大部分颤振导数,但在个别颤振导数识别上存在趋势性的差别,表明SST k -ω模型在识别桥梁颤振导数上优于标准k -ε模型。3)采用FLUENT软件计算了宽高比为4的固定矩形断面绕流场,并对压力分布进行了主分量分析。研究表明,第一主分量与脉动压力RMS分布一致。基于上下第一主分量形状,可确定其分离剪切流中主漩涡的平均脱落位置。基于第一阶主坐标时程,可获得矩形断面绕流的涡脱频率。矩形断面上下表面的主漩涡脱落主导了上下表面的压力脉动特征。同时开展了断面压力第一主分量的雷诺数效应研究,这将有助于进行桥梁断面绕流的雷诺数效应研究。4)基于桥梁断面不同振幅下的强迫振动,采用FLUENT软件数值模拟了其绕流场,对各工况下断面压力第一主分量分布进行了分析与比较。研究表明,断面迎风侧区域的压力脉动强度明显大于其它区域。该区域的压力分布与振动幅值存在非线性关系,它可能是引起气动力非线性的原因。5)基于Volterra级数理论和CFD方法识别了薄平板非线性气动力系统的一阶核,建立了反映薄平板气动力系统特性的离散时间气动模型。研究表明,由所建立的模型能快速获得单频或广谱位移输入下的气动力响应。由一阶Volterra核建立的非线性气动力系统模型还不足识别平板非线性气动力和扑捉其非线性特征,但本文工作是识别桥梁断面非线性气动力和研究其非线性特征的一种有益尝试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 湍流及模拟湍流的方法
• 1.2 线性自激力模型及不足
• 1.3 PCA理论
• 1.4 Volterra理论
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 计算风工程基本理论与实现
• 2.1 前言
• 2.2 流体动力学控制方程
• 2.3 湍流数值模拟方法
• 2.3.1 直接数值模拟
• 2.3.2 大涡模拟
• 2.3.3 雷诺平均法
• 2.3.4 分离涡模拟
• 2.3.5 湍流模型及其适用性
• 2.4 边界条件和离散方程求解
• 2.4.1 边界条件
• 2.4.2 近壁处理
• 2.4.3 空间和时间离散
• 2.5 与动网格技术和压力数据采集相关的宏
• 2.6 小结
• 第3章 基于两种湍流模型的桥梁颤振导数识别研究及比较
• 3.1 前言
• 3.2 强迫振动时域识别
• 3.3 算列
• 3.3.1 研究对象及计算域网格划分
• 3.3.2 运动及边界条件
• 3.3.3 流场比较
• 3.3.4 气动导数识别结果
• 3.4 小结
• 第4章 固定矩形断面湍流流动的主分量分析
• 4.1 前言
• 4.2 PCA理论
• 4.2.1 构造协方差矩阵
• 4.2.2 主分量矩阵
• 4.2.3 主分量的选择及数据重构
• 4.3 矩形断面数值计算
• 4.3.1 网格划分及相关设置
• 4.3.2 基本参数
• 4.4 矩形断面主分量分析
• 4.4.1 主分量贡献率
• 4.4.2 主分量分析
• 4.4.3 再附点位置
• 4.4.4 主坐标时程及压力重构
• 4.5 主分量的雷诺数效应分析
• 4.5.1 计算工况设置
• 4.5.2 雷诺数效应分析
• 4.6 结论
• 第5章 运动桥梁断面湍流流动的主分量分析
• 5.1 前言
• 5.2 强迫振动数值模拟
• 5.3 压力系数比较
• 5.4 主分量分析
• 5.4.1 贡献率分析
• 5.4.2 压力主分量分析
• 5.4.4 主坐标时程
• 5.5 结论
• 第6章 Volterra理论与平板非线性气动力系统识别
• 6.1 前言
• 6.2 Volterra理论简介
• 6.3 Volterra核的辨识理论
• 6.4 平板非线性气动力系统识别
• 6.4.1 单位脉冲激励的实现
• 6.4.2 计算参数设置
• 6.4.3 一阶核的识别
• 6.4.5 非线性气动力模型的验证
• 6.5 小结
• 结论
• 1 本文的创新点
• 2 本文的主要工作和结论
• 3 研究展望
• 参考文献
• 附录A 攻读学位其间所发表的学术论文及科研项目
• 致谢