流固耦合动力学及其在桥梁工程中的应用

论文摘要

在大规模的跨海桥梁建设的背景下,论文以工程应用为目的,对基于固定网格的流固耦合数学模型进行了开发,提出了对于任意结构物的所有平面自由度进行追踪的关键点追踪法,及进一步发展了相对速度法。论述了在流固耦合中关键问题的解决方法,并对一些亟待解决的工程问题计算了相应算例,并提出了初步的解决方案。全文主要分为四个部分：第一,课题研究背景和研究的意义进行了阐述,针对流体力学相关基础理论和研究现状进行了综述。第二,对基本的流体控制方程和数值方法进行了说明,并在此数学模型的基础上计算了两个均匀流中方柱的算例。第三,详细说明了本次开发的流固耦合模型中的几个关键问题,其中包括如何在控制方程中实现刚体运动,如何追踪结构物所有平面自由度的运动,和对固体动边界位置速度场的处理,最后给出了三个基于此转动和平动流固耦合数学模型的算例,及一个圆柱与均匀流的考虑强耦合和考虑结构物固定时的对比算例,总结了考虑流固耦合效应后的相应规律。第四,对流体力学在桥梁工程中的应用进行了说明,提出了用于计算箱梁在波浪力的作用下的基本原理,并对一个算例进行了试算,最后结合参考文献中的灾后调查资料,对近海岸跨海桥梁的构造中容易导致问题的部分进行了论述,并提出了建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 刚性桩柱的研究现状
• 1.3 流固耦合动力学研究现状
• 1.4 流体力学在桥梁工程中应用
• 第二章 刚体结构和流体作用的基本理论模型
• 2.1 N-S方程
• 2.2 雷诺方程
• 2.3 结构物固定时水流力计算
• 2.3.1 方桩水流力计算
• 2.3.2 两方桩串联水流力计算
• 第三章 流固耦合技术中的关键问题
• 3.1 结构物置追踪方法
• 3.1.1 结构物平动时位置追踪方法
• 3.1.2 结构物转动时位置追踪方法——关键点追踪法
• 3.1.3 结构物即平动又转动时位置追踪方法
• 3.2 结构物及其边界速度场的处理
• 3.2.1 结构物平动时速度场
• 3.2.2 结构物转动时速度场
• 3.2.3 结构物即平动又转动时速度场
• 3.3 流固耦合算例
• 3.3.1 方柱平动时算例
• 3.3.2 方柱仅转动的算例
• 3.3.3 方柱即平动又转动时的算例
• 3.3.4 流体与固体强耦合作用的算例
• 第四章 流体力学在工程中的应用
• 4.1 问题描述
• 4.2 基本计算理论及结果分析
• 4.3 结论
• 结论及展望
• 致谢
• 参考文献