風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)流固耦合計算新方法與風(fēng)致振動機(jī)理研究項目摘要

流固耦合為制約風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵動力效應(yīng)，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全。耦合理論至今尚不完善，故難以更深入認(rèn)識風(fēng)振耦合機(jī)理。圍繞這一難題，本項目基于計算力學(xué)理論、數(shù)值方法和計算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用穩(wěn)定化/光滑有限元方法建立風(fēng)與結(jié)構(gòu)瞬態(tài)耦合的ALE非線性動力模型，研究強(qiáng)風(fēng)作用下復(fù)雜風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)流固耦合作用的數(shù)值模擬技術(shù)與內(nèi)在耦合機(jī)理。通過優(yōu)化單場求解策略，構(gòu)建新型界面修正技術(shù)與連續(xù)介質(zhì)守恒律統(tǒng)一公式，旨在提出適應(yīng)低質(zhì)量比的分區(qū)算法和無矩陣運(yùn)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；基于上述模型與改進(jìn)方法，確立來風(fēng)條件對結(jié)構(gòu)振動的影響及動邊界對流場的擾動，掌握多氣動參數(shù)關(guān)聯(lián)變化特征，揭示渦脫落模式轉(zhuǎn)化規(guī)律，闡明漩渦耦合結(jié)構(gòu)運(yùn)動的吸釋能機(jī)制，進(jìn)而認(rèn)清結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動的行為本質(zhì)，建立實用判斷準(zhǔn)則實現(xiàn)結(jié)構(gòu)風(fēng)振破壞預(yù)測。研究成果為解決多變風(fēng)環(huán)境下結(jié)構(gòu)流致振動破壞難題提供了新思路和新方法。

流固耦合多發(fā)生于各類風(fēng)敏感土木工程結(jié)構(gòu)，與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)。典型現(xiàn)象包括：超高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、大跨橋梁及長徑線纜在強(qiáng)/臺風(fēng)作用下出現(xiàn)激烈風(fēng)致振動。該類結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、柔性大、阻尼小和自振頻率低，受流體（自然風(fēng)）作用則易發(fā)生流固耦合。流致結(jié)構(gòu)振動頻率接近其固有頻率時，流固耦合系統(tǒng)出現(xiàn)共振，極可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。故流固耦合為制約此類工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵動力效應(yīng)。本研究著眼應(yīng)用數(shù)學(xué)理論、計算力學(xué)原理、數(shù)值方法和計算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用穩(wěn)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(tài)非線性動力模型與控制方程，提出改進(jìn)流固耦合數(shù)值求解技術(shù)，主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下： （1）改進(jìn)聯(lián)合界面邊界條件（CIBC）法、構(gòu)建混合型界面耦合條件：將CIBC修正項轉(zhuǎn)為不含結(jié)構(gòu)拖拽力的一階常微分方程，避免界面可用于剛體流固耦合；基于完整流體應(yīng)力張量提出更簡潔CIBC界面修正項，無需求解常微分方程；運(yùn)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(qū)流固耦合算法的效率：運(yùn)用人工可壓縮性修改流體連續(xù)方程，每迭代步內(nèi)僅需計算可壓縮系數(shù)、避免求解壓力泊松方程，且求解精度與完全隱式算法相當(dāng)，適用于鈍體渦激振動問題。 （3）克服光滑有限元法求解Navier-Stokes方程的理論障礙：從數(shù)學(xué)上嚴(yán)格證明了該方法不依賴高斯散度定理、可求積任意階導(dǎo)數(shù)項，且光滑Galerkin弱式積分與積分點(diǎn)坐標(biāo)無關(guān)，從而適應(yīng)嚴(yán)重扭曲網(wǎng)格，比傳統(tǒng)有限元法更具優(yōu)勢。 此外，本研究還優(yōu)化了單場求解策略，初步探討了不同質(zhì)量比的剛體、柔性體關(guān)鍵氣動參數(shù)變化特征，揭示渦脫落模式轉(zhuǎn)化現(xiàn)象與結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化。研究成果為工程結(jié)構(gòu)流致振動模擬與預(yù)測提供了新思路。

膜結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的流固耦合問題一直是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域的難題，至今沒有很好解決。本項目在以往研究工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善和深化，力求在以下幾個方面有所突破：1）膜結(jié)構(gòu)氣彈模型風(fēng)洞實驗研究，在已有的簡化氣彈模型力學(xué)方法和風(fēng)洞實驗初步成果的基礎(chǔ)上，開展大量的類比實驗，對膜結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動過程中的氣動彈性效應(yīng)進(jìn)行了深入的理論分析和風(fēng)洞實驗研究。2）膜結(jié)構(gòu)三維流固耦合數(shù)值模擬研究，通過引入大渦模擬技術(shù)、改進(jìn)動網(wǎng)格技術(shù)及耦合交界面處的數(shù)據(jù)傳遞方法，建立更為精確的膜結(jié)構(gòu)三維流固耦合數(shù)值模擬方法；完善申請人提出的簡化數(shù)值模擬方法，使其更具工程可操作性。3）膜結(jié)構(gòu)流固耦合機(jī)理及抗風(fēng)設(shè)計方法研究，在實驗研究和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，探討膜結(jié)構(gòu)風(fēng)致耦合振動機(jī)理，給出定量評價膜結(jié)構(gòu)氣動彈性效應(yīng)的指標(biāo)，系統(tǒng)建立考慮流固耦合效應(yīng)的膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計方法。

膜結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的流固耦合問題一直是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域的難題，至今沒有很好解決。本項目在以往研究工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善和深化，力求在以下幾個方面有所突破：1）膜結(jié)構(gòu)氣彈模型風(fēng)洞實驗研究，首先采用非接觸測量系統(tǒng)對張拉膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的氣彈模型實驗研究，探討了膜結(jié)構(gòu)的流固耦合機(jī)理。研究表明膜的氣彈失穩(wěn)主要由渦激共振引起，膜結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下變形到平衡位置并圍繞該平衡位置進(jìn)行振動，特定風(fēng)速下，流體流經(jīng)平衡位置會產(chǎn)生旋渦。然后在已有的簡化氣彈模型力學(xué)方法和風(fēng)洞實驗初步成果的基礎(chǔ)上，開展大量的類比實驗，對膜結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動過程中的氣動彈性效應(yīng)進(jìn)行了深入的理論分析和風(fēng)洞實驗研究。2）膜結(jié)構(gòu)三維流固耦合數(shù)值模擬研究，首先采用WAWS/POD法模擬隨機(jī)風(fēng)場，在此基礎(chǔ)上引入無散度修正，解決脈動風(fēng)速時間序列不滿足連續(xù)性方程，從而影響LES計算的收斂性問題，有效提高計算精度。針對大渦模擬對計算資源要求苛刻的問題，為了提高其運(yùn)算效率，基于FLUENT軟件平臺編制了可用于并行計算的用戶自定義函數(shù)接口程序。在基礎(chǔ)上建立更為精確的膜結(jié)構(gòu)三維流固耦合數(shù)值模擬方法；完善了申請人提出的簡化數(shù)值模擬方法，使其更具工程可操作性。3）膜結(jié)構(gòu)流固耦合機(jī)理及抗風(fēng)設(shè)計方法研究，在實驗研究和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，探討膜結(jié)構(gòu)風(fēng)致耦合振動機(jī)理，給出定量評價膜結(jié)構(gòu)氣動彈性效應(yīng)的指標(biāo)，系統(tǒng)建立考慮流固耦合效應(yīng)的膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計方法。 2100433B

本項目擬將柔性薄膜屋蓋結(jié)構(gòu)作為研究對象，采用理論分析、風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究不同類型薄膜屋蓋的風(fēng)致流固耦合效應(yīng)。項目首先針對流固耦合機(jī)理，采用理論分析和數(shù)值計算的方法獲得考慮氣彈效應(yīng)的柔性薄膜結(jié)構(gòu)動力特性，進(jìn)而全面掌握不同薄膜結(jié)構(gòu)的基本氣彈性能；基于薄膜結(jié)構(gòu)的氣彈特點(diǎn)，構(gòu)造氣彈試驗?zāi)Ｐ筒㈤_展PIV試驗研究，獲取詳細(xì)的薄膜屋蓋風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)全過程信息；再通過和相關(guān)理論模型的對比研究, 評估幾種氣彈試驗?zāi)Ｐ偷目煽啃院瓦m用性；基于上述理論推導(dǎo)和風(fēng)洞實驗結(jié)果，建立新型薄膜結(jié)構(gòu)流固耦合數(shù)值計算方法，用來獲得薄膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動形變與應(yīng)力狀態(tài)、漩渦場及風(fēng)荷載分布形態(tài)變化的全過程信息等。通過本項目的研究，揭示柔性薄膜結(jié)構(gòu)風(fēng)致流固耦合效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，得到柔性屋蓋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律，建立相關(guān)的分析模型與計算方法，研究成果將解決薄膜屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)關(guān)鍵科學(xué)問題。