大型渡槽流体与固体的动力耦合分析

摘要

大型渡槽流体-固体动力耦合是一个极其复杂的多学科交叉的研究课题,涉及流体和固体两种性质不同的介质,致使其研究非常困难,至今在理论、计算方法和工程应用上,还存在缺陷和不足.另外,由于很多工程领域都涉及到流固动力耦合问题,所以有必要对这一课题进行更加深入的研究. 本文探讨了计入流体的粘性、大幅(非线性)晃动影响,不可压缩粘性流体与弹性体的三维动力耦合问题,分析了流体、固体接触界面的运动状态,给出了其运动和动力边界条件,即位移一致性和作用力平衡条件.对流固耦合系统进行离散化处理,推导了其有限元控制方程,并给出了相应的时间积分方法,通过储液池的算例验证了其正确性. 利用前述三维流固动力耦合模型探讨了工程界比较关心而又没有很好验证的地震作用下大型渡槽顺槽向流固动力耦合问题.结果表明,考虑顺槽向流体影响后渡槽结构地震响应有所降低,说明工程实践中不考虑其影响是安全的.另外,对实际工程中广泛采用的附加质量模型与Housner简化模型的适用性和精度进行了探讨.地震响应计算结果表明,这两种模型与本文给出的流体固体动力耦合分析方法相比结构大部分部位的结果偏于保守.通过对比附加质量模型和流固耦合分析方法的结构自振频率和振型发现,两者非常接近,说明采用附加质量模型进行渡槽结构的动力特性分析是满足工程要求的. 作为工程应用,本文以南水北调中线穿黄薄腹梁渡槽结构为研究对象,采用前述流固耦合分析方法对其进行了静、动力分析,并和实际工程采用附加质量模型的计算结果进行了对比研究.结果表明,两种方法渡槽结构的位移和应力结果具有相同的变化规律,只是在具体数值上附加质量模型略大于流固耦合分析方法,但是总体上差别不大,对于实际应用来说这种差别可以忽略,所以附加质量模型用于大型渡槽的抗震设计是合理可行的,同时也说明了本文流固耦合分析方法的正确性.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文使用授权声明

1绪论

1.1研究意义与背景

1.2问题的研究进展

1.3本文主要研究工作

2三维流体-固体动力耦合分析方法

2.1基本假定

2.2边界条件

2.2.1固体域

2.2.2流体域

2.2.3流固耦合边界条件

2.3控制方程

2.3.1不可压缩粘性流体流动控制方程

2.3.2结构运动基本方程

2.4流固动力耦合体系的有限元方程

2.5时间积分方法

2.5.1结构域

2.5.2流体域

2.6求解过程总结

2.7算例分析

2.8本章小结

3顺槽向流固耦合初步研究

3.1研究意义

3.2计算模型的建立

3.3地震响应分析

3.4本章小结

4流体-固体耦合常用简化计算方法的适用性探讨

4.1研究意义

4.2对于附加质量模型的适用性探讨

4.2.1附加质量模型简介

4.2.2计算模型的建立

4.2.3动力特性分析

4.2.4地震响应分析

4.3对于Housner模型的适用性探讨

4.3.1 Housner模型简介

4.3.2计算模型的建立

4.3.3地震响应分析

4.4本章小结

5流体-固体动力耦合分析方法的工程应用

5.1工程概况

5.1.1薄腹梁渡槽结构概况

5.1.2材料参数

5.2分析模型的建立

5.3输入地震波的确定

5.4计算方案

5.5计算结果分析

5.5.1动力特性分析

5.5.2地震响应分析

5.6本章小结

6结论与展望

6.1本文的研究成果及主要结论

6.2研究展望

致 谢

参考文献

附录