基于CFD和Volterra理论的桥梁非线性气动力系统识别及应用

基于线性小扰动理论的传统桥梁气弹分析方法，能否应用于桥梁绕流呈现强烈非线性的情况（大幅运动或截面钝化）目前并不清楚。因而根据线性理论分析桥梁大幅颤振临界状态和评价桥梁气弹稳定性是不合适的。本项目将通过CFD模拟，应用Volterra理论进行桥梁非线性气动力系统识别，通过识别非线性核，建立桥梁气动力非线性模型，并据此计算桥梁在任意输入下的非线性气弹响应。仿真并研究桥梁颤振前后气弹响应特征和气流-桥梁动力耦合作用，通过与线性气弹理论研究结果的对比，揭示桥梁非线性气弹响应特征和影响因素，评价气动力非线性对桥梁颤振临界风速的影响，研究现有线性气弹理论的不足和应用条件。

基于计算流体动力学(CFD)方法，通过对薄平板、钝体矩形截面和流线型扁平钢箱梁在固定和不同振幅条件下的流场模拟，通过提取表面脉动压力时程和非定常气动力，基于输入-输出系统理论，在Volterra理论框架下开展了非线性气动力系统线性核、一阶核和二阶核的识别方法研究，通过建立桥梁气动力非线性模型，能仿真得到桥梁非线性气动力模型在任意输入下的非线性气弹响应。通过与线性气弹理论研究结果的对比，研究表明，对薄平板和流线型扁平钢箱梁，在小幅运动情况下，气动力的非线性很小。在振幅大于传统CFD强迫振动模拟振幅1倍的情况下，薄平板和流线型扁平钢箱梁的非线性效应也不是非常显著。对钝体矩形断面，当截面小振幅运动的情况下，由于低阶主分量在脉动压力中占主导能量，非线性效应也不明显。. 研究发现，在模型大幅运动的情况下，CFD计算的稳定和收敛性变得困难，且二阶格式降为一阶格式，因而影响了非线性分析和评价的精度。特别指出，在识别二阶以上非线性核时，由于需要计算系统在两个不同延迟下的两个单位脉冲下的响应，且不同的延迟会带来系统响应的变化。这样同一阶核，系统输入记录数越大，脉冲间延迟变化就越多，因而需要计算的多脉冲响应数量就越大，故系统识别的工作量和难度将显著增大。在目前台式机和小型工作站的计算资源条件下，识别系统二阶核存在非常大的困难，而高阶核需计算系统在3个不同时刻分别作用3个单位脉冲下的响应，而这3个单位脉冲之间具有两个不同的输入延迟，而这两个输入延迟的变化也会带来系统响应的变化，这称之为维数灾难，给二阶以上非线性核的识别和应用会带来巨大困难。