桥梁风工程的非定常格子玻尔兹曼方法

在超大跨径桥梁面临的诸多技术挑战中，最为关键的问题是在设计风速下的结构抗风安全，尤其是加劲梁和风的相互作用，或称空气弹性失稳。 随着计算能力的突飞猛进，人们越来越感受到利用计算模拟手段解决空气动力学问题的可行性和必要性，由此提出了数值风洞和计算气弹力学的概念（Computational Aeroelasiticity）。目前，数值方法已经逐渐成为桥梁抗风设计的重要手段。 自20世纪80年代末开始，格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method，LBM）逐渐发展成为一种新的计算流体力学方法，其基本思想是构造包含流体微观或介观演化过程的进化运动论模型，使其宏观平均效应满足NS方程。运动论方程继承了分子动力学的诸多优点，如清晰的物理机制、边界条件容易实现和演化过程的完全并行性，而且在LBM中，对流项是完全线性的，在不可压缩极限条件下，格子玻尔兹曼演化方程与宏观NS是统一的。近年来，格子玻尔兹曼方法经过不断完善改进，逐步从一个学术性的理论模型发展成为具有实际工程应用价值的计算工具，目前在汽车工业开发中得到广泛应用。然而，格子玻尔兹曼方法在钝体空气动力学中的应用尚存在一些问题，包括流动分离的模拟、运动边界的处理、气动弹性分析以及结构气动力的计算，这些问题是本研究研究要解决的。 本课题 提出了非定常格子玻尔兹曼方法。根据气体运动论的演化方程，推导高阶格子玻尔兹曼模型，建立非定常格子玻尔兹曼方法（LBM）的控制方程。同时，推导了符合平衡大气边界层特性的LBM边界条件，提出复杂三维固壁边界的精确回弹格式。研究了更合理的湍流模式，模拟非定常流场中桥梁断面的高雷诺数绕流，探究近壁流动的演化规律和特征，通过对比风洞模型脉动压力测试结果，检验模拟方法的精度和可靠性。研究非定常流场中的三维运动边界技术，提出了结构—风相互作用的流固耦合模拟算法，通过一系列国内外实际工程的数值算例和实验对比，检验流固耦合算法的精度与可靠性。

针对桥梁风工程研究的特点和典型问题，拟提出非定常格子玻尔兹曼方法。根据气体运动论的演化方程，推导高阶格子玻尔兹曼模型，建立非定常格子玻尔兹曼方法（LBM）的控制方程。推导符合平衡大气边界层特性的LBM边界条件，提出复杂三维固壁边界的精确回弹格式。研究更合理的湍流模式，模拟非定常流场中桥梁断面的高雷诺数绕流，探究近壁流动的演化规律和特征，通过对比风洞模型脉动压力测试结果，检验模拟方法的精度和可靠性。研究非定常流场中的三维运动边界技术，提出结构-风相互作用的流固耦合模拟算法，对比桥梁断面强迫振动和自由振动的数值模拟与风洞试验，检验流固耦合算法的精度与可靠性。本研究内容与桥梁风工程紧密联系，研究成果具有重要学术意义和广泛应用前景，通过本研究能促进桥梁风工程和计算风工程的发展。

目前叶轮机械气动设计方法多基于定常流动模型，而叶轮机械中转子和静子的相对运动决定了其流动为本质非定常的。如何在设计阶段就能将非定常影响纳入考虑，发展非定常设计体系，是研究人员一直试图解决的问题之一。本项目意图结合先进的非定常计算技术和三维粘性反方法，发展成为非定常反方法，建立叶轮机械非定常设计体系。首先申请者提出了基于谐波平衡法和反方法有机集成的思想，并据此建立非定常反方法的基本理论框架；进而分步研究在多种非定常效应影响下时间平均压力载荷的加载策略；最后考虑依据能够考虑上下游非定常流场影响的“尾迹”匹配理念，优化空间积叠线形式，从而构建非定常叶片设计体系。

本课题从事离心泵内部非定常流动的研究。构寻多功能离心泵PIV测量实验台，在不同工况下测理离心泵叶轮和泵体内部非定常流协的全场瞬时速度场，分析研究离心泵叶轮和泵体内部非定常流动的三维结构和空间特性和周期性非定常的时间特性，为研究离心泵内部非定常流动提供必要的基础实验资料，以最终建立离心泵非定常流动理论取代目前定常流动理论。

桥梁在空间脉动风场中的力学行为问题涉及到结构振动的自激力描述、脉动风引起的气动力描述两大方面。通过与航空学中薄机翼理论的对比可知，多年来桥梁颤抖振理论及气动导纳理论均沿用了机翼理论中的非定常气动力可叠加性。然而，非定常气动力可叠加性是否适合于钝体桥梁断面决定了颤抖振模型以及该模型中内嵌的气动导纳理论的合理性。本申请项目通过研究薄机翼非定常气动力的形成机理以及假设前提，再结合机翼非定常气动力理论中一些基本假定在桥梁风工程中的应用现状，讨论桥梁颤抖振理论以及气动导纳理论中多年来存在的问题、指出可能的解决途径，在研究思路上富有突破性地脱离长期以来的理论误区。在新研究思路的指导下，针对钝体桥梁断面展开一系列的试验研究并根据断面非定常气动力可叠加的程度进行合理分类。区别对待近似满足与不满足非定常气动力叠加原理的两种类型，在此基础上探讨相应的试验识别方法、气动导纳识别方法以及桥梁随机风振的颤抖振模型。