[發(fā)明專利]基于OpenFOAM和導(dǎo)數(shù)矩變換的二維流場氣動(dòng)力重構(gòu)方法

有效

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• 申請日: 2022-07-18
• 公開（公告）號: CN115310176B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賴馬樹金;薛耿
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠(yuǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 孫莉莉

本發(fā)明提出基于OpenFOAM和導(dǎo)數(shù)矩變換的二維流場氣動(dòng)力重構(gòu)方法。該方法將流場氣動(dòng)力重構(gòu)通過導(dǎo)數(shù)矩方法變換為基于流場流態(tài)的氣動(dòng)力重構(gòu)公式，將流場流動(dòng)信息與橋梁氣動(dòng)力相結(jié)合，橋梁結(jié)構(gòu)在發(fā)生振動(dòng)時(shí)流場出現(xiàn)的特征流態(tài)與振動(dòng)之間存在關(guān)系。二維氣動(dòng)力重構(gòu)公式建立了從流場獲得氣動(dòng)力的通道，通過OpenFOAM獲得流場數(shù)據(jù)，計(jì)算出流動(dòng)控制體內(nèi)的數(shù)據(jù)作為氣動(dòng)力重構(gòu)的輸入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了流場特征流態(tài)、氣動(dòng)力與結(jié)構(gòu)振動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)。在OpenFOAM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了二維特征流動(dòng)的流場氣動(dòng)力重構(gòu)，搭建了流場流動(dòng)信息到結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力的橋梁，可以用于特征流動(dòng)分離的氣動(dòng)力貢獻(xiàn)與機(jī)理分析。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于橋梁風(fēng)工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于OpenFOAM和導(dǎo)數(shù)矩變換的二維流場氣動(dòng)力重構(gòu)方法。

背景技術(shù)

大跨度橋梁的建設(shè)隨著跨度增加，結(jié)構(gòu)柔性增強(qiáng)，阻尼越來越小，渦激振動(dòng)等風(fēng)效應(yīng)越來越明顯。渦激振動(dòng)是典型的流固耦合振動(dòng)，其振動(dòng)特性與繞流場流態(tài)存在密切的關(guān)系。因此研究基于流態(tài)的渦激振動(dòng)機(jī)理對于橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)和運(yùn)用安全具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)用價(jià)值。根據(jù)控制體內(nèi)的動(dòng)量積分方程可知，鈍體結(jié)構(gòu)上作用的氣動(dòng)力可以用控制體內(nèi)動(dòng)量變化和邊界的動(dòng)量輸入來表示，因此可建立結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力與關(guān)鍵流態(tài)間的定量關(guān)系，進(jìn)而能夠揭示鈍體結(jié)構(gòu)流固耦作用關(guān)鍵流態(tài)作用特征。

在理論分析領(lǐng)域中，渦動(dòng)力學(xué)的發(fā)展分為，含渦量動(dòng)力學(xué)和旋渦動(dòng)力學(xué)的渦動(dòng)力學(xué)、附面渦層演化為自由渦層的高雷諾數(shù)渦動(dòng)力學(xué)、對非定常升阻力機(jī)理研究的非定常渦運(yùn)動(dòng)與渦穩(wěn)定性研究以及湍流與旋渦研究。對置于流場中的結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)渦旋在結(jié)構(gòu)表面發(fā)生前緣分離流動(dòng)、尾部分離流動(dòng)、脫落旋渦等現(xiàn)象，將渦動(dòng)力學(xué)中的導(dǎo)數(shù)矩變換(Derivative-Moment?Transformations，DMT)方法應(yīng)用于橋梁風(fēng)工程問題中，能夠獲不可壓有黏流場對結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力表達(dá)式，通過渦動(dòng)力學(xué)方法能夠獲得流場中的特征渦旋對結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)，建立橋梁振動(dòng)過程中繞流場渦旋流態(tài)、橋梁氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)響應(yīng)三者間的關(guān)系是研究的首要任務(wù)。

傳統(tǒng)的氣動(dòng)力測量方法基于結(jié)構(gòu)表面的壓力積分，對結(jié)構(gòu)表面布置風(fēng)壓測點(diǎn)，獲得結(jié)構(gòu)的升力與阻力。但是對于表面積分的方法主要缺點(diǎn)是只通過結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓信息獲得氣動(dòng)力，計(jì)算過程不包含流場中的流態(tài)特征，無法區(qū)分流場中不同區(qū)域?qū)Y(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力貢獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有的技術(shù)問題，提出了基于OpenFOAM和導(dǎo)數(shù)矩變換的二維流場氣動(dòng)力重構(gòu)方法。本發(fā)明所述方法既可以獲得結(jié)構(gòu)處于流場中的氣動(dòng)力，又可以分析不同流動(dòng)區(qū)域?qū)鈩?dòng)力的貢獻(xiàn)。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明提出基于OpenFOAM和導(dǎo)數(shù)矩變換的二維流場氣動(dòng)力重構(gòu)方法，所述方法具體包括：

步驟一、利用OpenFOAM獲得橋梁流場與振動(dòng)結(jié)果；

步驟二、利用paraview獲得特征流動(dòng)控制體數(shù)據(jù)；

步驟三、二維流場氣動(dòng)力重構(gòu)：將矩形控制體內(nèi)的流場數(shù)據(jù)與四條控制體邊界數(shù)據(jù)作為輸入，進(jìn)行二維流場氣動(dòng)力重構(gòu)獲得結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力，所述二維流場氣動(dòng)力重構(gòu)通過導(dǎo)數(shù)矩變換為基于流場流態(tài)的氣動(dòng)力重構(gòu)公式，將流場流動(dòng)信息與橋梁氣動(dòng)力相結(jié)合。

進(jìn)一步地，在步驟一中，通過OpenFOAM六自由度求解器與pimpleFOAM求解器進(jìn)行開展。

進(jìn)一步地，所述步驟一具體為：首先建立橋梁結(jié)構(gòu)二維網(wǎng)格模型，設(shè)置流動(dòng)邊界條件；依照結(jié)構(gòu)質(zhì)量與阻尼設(shè)置OpenFOAM動(dòng)網(wǎng)格求解；其次根據(jù)庫朗數(shù)設(shè)置計(jì)算步長與標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫的氣動(dòng)力輸出，對OpenFOAM設(shè)置pimpleFOAM求解器與對應(yīng)的離散格式和求解方法，并以此設(shè)置求解參數(shù)；最后，模擬流動(dòng)的流場數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)，獲得振動(dòng)的特征流場。

進(jìn)一步地，在步驟二中，通過開源軟件paraview獲得結(jié)構(gòu)振動(dòng)的逐時(shí)刻流場數(shù)據(jù)，分析結(jié)構(gòu)振動(dòng)穩(wěn)定后的流動(dòng)渦量場中特征流態(tài)區(qū)域；對來流區(qū)域、尾流區(qū)域和流動(dòng)上下緣區(qū)域計(jì)算涵蓋特征流態(tài)的控制體區(qū)間，將控制體選取為涵蓋二維特征流態(tài)的矩形區(qū)域。