桥梁风工程的非定常格子玻尔兹曼方法

An unsteady Lattice Boltzmann method will be proposed in this project. High order LB equation will be derived firstly from the Boltzmann equation by discretizing in both time and phase space. LB boundary condition for atmospheric boudary layer and complex 3D solid wall will be established. Then, reasonable turbulence model will be investigated and evaluated through the simulations of high Renolds number flows around bridge deck. Nummerical results will be compared with experiments, and the accuracy and validity of the method will be validated. Further, moving 3D boundary condition will be studied, and rational FSI algorithm will be proposed. Its validity will be demonstrated by comparing with experiments of forced vibration and self-excited vibration of bridge decks. The work proposed in this application will contribute to the advancement of bridge wind engineering.

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。

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。