《風敏感結構流固耦合計算新方法與風致振動機理研究》是依託上海師範大學，由何濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：風敏感結構流固耦合計算新方法與風致振動機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：何濤
- 依託單位：上海師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
流固耦合為制約風敏感結構的關鍵動力效應，嚴重威脅結構安全。耦合理論至今尚不完善，故難以更深入認識風振耦合機理。圍繞這一難題，本項目基於計算力學理論、數值方法和計算機技術，運用穩定化/光滑有限元方法建立風與結構瞬態耦合的ALE非線性動力模型，研究強風作用下複雜風敏感結構流固耦合作用的數值模擬技術與內在耦合機理。通過最佳化單場求解策略，構建新型界面修正技術與連續介質守恆律統一公式，旨在提出適應低質量比的分區算法和無矩陣運算的分步型整體算法，探索耦合算法精度不足與效率低下的有效解決途徑，突破既有理論局限；基於上述模型與改進方法，確立來風條件對結構振動的影響及動邊界對流場的擾動，掌握多氣動參數關聯變化特徵，揭示渦脫落模式轉化規律，闡明漩渦耦合結構運動的吸釋能機制，進而認清結構風致振動的行為本質，建立實用判斷準則實現結構風振破壞預測。研究成果為解決多變風環境下結構流致振動破壞難題提供了新思路和新方法。
結題摘要
流固耦合多發生於各類風敏感土木工程結構，與人類生產生活息息相關。典型現象包括：超高層建築、高聳結構、大跨橋樑及長徑線纜在強/颱風作用下出現激烈風致振動。該類結構質量輕、柔性大、阻尼小和自振頻率低，受流體（自然風）作用則易發生流固耦合。流致結構振動頻率接近其固有頻率時，流固耦合系統出現共振，極可能導致災難性後果。故流固耦合為制約此類工程結構的關鍵動力效應。本研究著眼套用數學理論、計算力學原理、數值方法和計算機技術，運用穩定化/光滑有限元方法建立任意拉格朗日-歐拉描述下流固耦合體系瞬態非線性動力模型與控制方程，提出改進流固耦合數值求解技術，主要研究內容及創新點總結如下： （1）改進聯合界面邊界條件（CIBC）法、構建混合型界面耦合條件：將CIBC修正項轉為不含結構拖拽力的一階常微分方程，避免界面可用於剛體流固耦合；基於完整流體應力張量提出更簡潔CIBC界面修正項，無需求解常微分方程；運用廣義逆矩陣原理緩解剛體全局修正與局部修正不一致的矛盾。 （2）提升半隱式分區流固耦合算法的效率：運用人工可壓縮性修改流體連續方程，每疊代步內僅需計算可壓縮係數、避免求解壓力泊松方程，且求解精度與完全隱式算法相當，適用於鈍體渦激振動問題。 （3）克服光滑有限元法求解Navier-Stokes方程的理論障礙：從數學上嚴格證明了該方法不依賴高斯散度定理、可求積任意階導數項，且光滑Galerkin弱式積分與積分點坐標無關，從而適應嚴重扭曲格線，比傳統有限元法更具優勢。 此外，本研究還最佳化了單場求解策略，初步探討了不同質量比的剛體、柔性體關鍵氣動參數變化特徵，揭示渦脫落模式轉化現象與結構回響變化。研究成果為工程結構流致振動模擬與預測提供了新思路。
