流固耦合界面信息传递技术分析与数值风洞计算程序研制

摘要

大跨度空间结构和超高层结构对风荷载作用相当敏感。在风荷载作用时这些结构会产生变形和振动，这种变形和振动同样也会对其周边绕流风场及表面风压分布产生影响，形成流固耦合效应。流固耦合效应已造成很多工程结构发生重大灾变，然而由于问题的复杂性，该问题一直没有得到很好解决。近十年来，随着计算机硬件技术的迅猛发展，这为流固耦合技术研究提供了新的契机。本文的主要研究内容如下：
　　本文首先对采用弱耦合算法求解流固耦合问题时的求解策略进行了分析；其次，基于大涡模拟方法对湍流控制方程进行了推导，研究了湍流控制方程的离散格式以及对离散方程进行数值求解的SIMPLE算法；再次，分析了求解结构动力响应方程的Newmark-β法；最后，研究了流固耦合界面信息传递与交换技术，并在前期研究的基础上，研制了求解流固耦合问题的计算程序。
　　采用本文研制的数值风洞计算程序对经典的平板流固耦合问题进行了数值计算。计算结果分析发现，平板周围存在绕流，同一截面（z=4m截面或z=3.5m截面）在平板区域内（y=0~0.5m）流场三维速度u、v和w值相差不大；平板边缘处速度w变化较大，而其他区域内流场速度w远大于速度u、v；不同时刻同一截面沿同一方向（x轴或y轴）风速变化趋势基本一致。结构因脉动风速的影响做小幅往复运动，其计算位移值远小于结构尺寸，且同一时刻平板顶部位移值最大。利用ANSYS Workbench软件对该算例进行了计算，并将两者求解结果进行了对比分析，通过对测点的计算偏差值统计发现，流场的多数测点流速偏差值不超过20％，结构的多数测点位移偏差值不超过35%，这表明本文计算程序对平板流固耦合的流场计算结果、结构响应结果及界面信息处理结果与软件模拟结果基本一致。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 流固耦合问题的研究方法及研究现状

1.3 本文研究内容

第2章 流固耦合问题求解策略与计算方法分析

2.1 流固耦合求解策略分析

2.2 湍流控制方程与数值模拟方法研究

2.3 结构动力响应分析与数值求解方法分析

2.4 流固耦合界面信息传递与交换技术分析

2.5 本章小结

第3章 求解流固耦合问题的数值风洞计算程序研制

3.1 流固耦合数值计算程序设计

3.2 网格划分程序设计

3.3 基于大涡模拟技术的流体域计算程序研制

3.4 结构动力响应计算程序研制

3.5 流固耦合界面信息传递与交换程序研制

3.6 流固耦合数值计算程序的若干说明

3.7 本章小结

第4章 求解流固耦合问题的数值风洞计算程序验证

4.1 矩形方腔内平板流固耦合计算分析

4.2 计算结果对比分析

4.3 流固耦合数值计算误差分析

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 展望

参考文献

致谢