桥梁断面静风荷载的格子Boltzmann方法数值计算-空气动力学学报.PDF

第27卷第1期 空气动力学学报 V01．27，No．1 ACTA 2009年02月 AERODYNAMlCASINlCA Feb．，2009 —■—●———●————_————_———_—___———_———_—●———●———●I●—一1 1●——●■-l—_—-——●———●—■_●_-_——_—__—-—■I 文章编号：0258—1825(2009)01—0017—08 刘天成1’2，葛耀君1，曹丰产1 (1．面济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；2．中交公路规划设计院有限公司，北京100010) 摘要：通过引入反映湍流涡粘性的湍流松弛，得到了模拟高雷诺数湍流的BGK方程。在速度相空间，物理空间 和时问上对BGK方程进行离散得到了三维十九逮离散速度模型；结合分区计算技术，设计了格子Bo|tzmann并行 算法，根据亚格子Smagorinsky模型．提出了直接从粒子分布函数计算湍流松弛时间的方法。用开发的并行计算程 序对分体双箱截面和闭口箱梁截面的静风荷载进行了数值识别。得到的静力三分力系数和流场压力分布与风洞试 验结果及CFD宏观方法计算结果吻合，并从表面压力分布人手分析了两种桥梁截面的绕流特点。 关键词：BGK方程；亚格子湍流模型}湍流松弛时阃；桥梁断面；静风荷载 中国分类号：U441．2}V211．3文献标识码：A 还不能准确地描述，因此湍流模型存在很强的经验 0引言 性，而不具普适性。随着分子动力学理论的发展，人 们又从微观角度出发，基于分子运动论发展了一种全 从20世纪80年代开始，人们基于CFD技术从 数值模拟角度来研究大气边界层中结构物的绕流问 法[6]。认为流体是由大量质点构成的，这些质点进行 题[1]。随着CFD和计算机技术的发展，数值模拟在 类似于分子或原子的热运动，质点之间通过碰撞和迁 工程实践中得到越来越广泛的应用，成为物理试验以 移发生作用，从而构造出相对简单的动力学模型。求 外的另一种重要手段。在桥梁抗风研究中，丹麦的 得的宏观物理量能够满足宏观偏微分方程[6’7]。LB Wahher和Larsen率先用离散涡方法模拟了Great 方法不依赖尺度分离假设，认为宏观物理量是微观系 Belt桥主梁截面的绕流问题[2。3；曹丰产H]和周志 综平均的结果，不受微观分子碰撞的具体细节影响， 勇[53分别基于有限单元法和随机涡方法识别了多种 桥梁断面形式的气动参数；FLUENT等商业软件也 到了快速的发展[s．93。但是对于高雷诺数湍流流动， 在桥梁风工程中得到了实际应用。这些方法的共同 用普通格子Bohzmann方法进行直接求解也是不可 之处都是以宏观变量粗粒度模型Navier-Stokes(N— 行的[1…，需要探索LB方法对湍流模拟的其他途径。 S)方程作为流动控制方程，虽然取得了一定的成果， 本文根据目前对湍流流动的认识，通过湍流松弛 但对桥梁结构这类钝体分离流问题仍然存在不完善 时间将湍流模型与BGK方程结合起来，利用Smago- 之处，风荷载的识别还存在不确定性[1]。目前面临的 主要问题是对湍流的认识和描述还远远不够，而桥梁