橋樑風工程的非定常格子玻爾茲曼方法

《橋樑風工程的非定常格子玻爾茲曼方法》是依託西南交通大學，由栗懷廣擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：橋樑風工程的非定常格子玻爾茲曼方法
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：栗懷廣
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

針對橋樑風工程研究的特點和典型問題，擬提出非定常格子玻爾茲曼方法。根據氣體運動論的演化方程，推導高階格子玻爾茲曼模型，建立非定常格子玻爾茲曼方法（LBM）的控制方程。推導符合平衡大氣邊界層特性的LBM邊界條件，提出複雜三維固壁邊界的精確回彈格式。研究更合理的湍流模式，模擬非定常流場中橋樑斷面的高雷諾數繞流，探究近壁流動的演化規律和特徵，通過對比風洞模型脈動壓力測試結果，檢驗模擬方法的精度和可靠性。研究非定常流場中的三維運動邊界技術，提出結構-風相互作用的流固耦合模擬算法，對比橋樑斷面強迫振動和自由振動的數值模擬與風洞試驗，檢驗流固耦合算法的精度與可靠性。本研究內容與橋樑風工程緊密聯繫，研究成果具有重要學術意義和廣泛套用前景，通過本研究能促進橋樑風工程和計算風工程的發展。

結題摘要

在超大跨徑橋樑面臨的諸多技術挑戰中，最為關鍵的問題是在設計風速下的結構抗風安全，尤其是加勁梁和風的相互作用，或稱空氣彈性失穩。 隨著計算能力的突飛猛進，人們越來越感受到利用計算模擬手段解決空氣動力學問題的可行性和必要性，由此提出了數值風洞和計算氣彈力學的概念（Computational Aeroelasiticity）。目前，數值方法已經逐漸成為橋樑抗風設計的重要手段。 自20世紀80年代末開始，格子玻爾茲曼方法（Lattice Boltzmann Method，LBM）逐漸發展成為一種新的計算流體力學方法，其基本思想是構造包含流體微觀或介觀演化過程的進化運動論模型，使其巨觀平均效應滿足NS方程。運動論方程繼承了分子動力學的諸多優點，如清晰的物理機制、邊界條件容易實現和演化過程的完全並行性，而且在LBM中，對流項是完全線性的，在不可壓縮極限條件下，格子玻爾茲曼演化方程與巨觀NS是統一的。近年來，格子玻爾茲曼方法經過不斷完善改進，逐步從一個學術性的理論模型發展成為具有實際工程套用價值的計算工具，目前在汽車工業開發中得到廣泛套用。然而，格子玻爾茲曼方法在鈍體空氣動力學中的套用尚存在一些問題，包括流動分離的模擬、運動邊界的處理、氣動彈性分析以及結構氣動力的計算，這些問題是本研究研究要解決的。 本課題 提出了非定常格子玻爾茲曼方法。根據氣體運動論的演化方程，推導高階格子玻爾茲曼模型，建立非定常格子玻爾茲曼方法（LBM）的控制方程。同時，推導了符合平衡大氣邊界層特性的LBM邊界條件，提出複雜三維固壁邊界的精確回彈格式。研究了更合理的湍流模式，模擬非定常流場中橋樑斷面的高雷諾數繞流，探究近壁流動的演化規律和特徵，通過對比風洞模型脈動壓力測試結果，檢驗模擬方法的精度和可靠性。研究非定常流場中的三維運動邊界技術，提出了結構—風相互作用的流固耦合模擬算法，通過一系列國內外實際工程的數值算例和實驗對比，檢驗流固耦合算法的精度與可靠性。