[发明专利]基于OpenFOAM和导数矩变换的二维流场气动力重构方法

说明书

本发明提出基于OpenFOAM和导数矩变换的二维流场气动力重构方法。该方法将流场气动力重构通过导数矩方法变换为基于流场流态的气动力重构公式，将流场流动信息与桥梁气动力相结合，桥梁结构在发生振动时流场出现的特征流态与振动之间存在关系。二维气动力重构公式建立了从流场获得气动力的通道，通过OpenFOAM获得流场数据，计算出流动控制体内的数据作为气动力重构的输入数据，实现了流场特征流态、气动力与结构振动之间的关联。在OpenFOAM数据基础上实现了二维特征流动的流场气动力重构，搭建了流场流动信息到结构气动力的桥梁，可以用于特征流动分离的气动力贡献与机理分析。

技术领域

本发明属于桥梁风工程技术领域，特别是涉及基于OpenFOAM和导数矩变换的二维流场气动力重构方法。

背景技术

大跨度桥梁的建设随着跨度增加，结构柔性增强，阻尼越来越小，涡激振动等风效应越来越明显。涡激振动是典型的流固耦合振动，其振动特性与绕流场流态存在密切的关系。因此研究基于流态的涡激振动机理对于桥梁抗风设计和运用安全具有重要的科学意义和工程实用价值。根据控制体内的动量积分方程可知，钝体结构上作用的气动力可以用控制体内动量变化和边界的动量输入来表示，因此可建立结构气动力与关键流态间的定量关系，进而能够揭示钝体结构流固耦作用关键流态作用特征。

在理论分析领域中，涡动力学的发展分为，含涡量动力学和旋涡动力学的涡动力学、附面涡层演化为自由涡层的高雷诺数涡动力学、对非定常升阻力机理研究的非定常涡运动与涡稳定性研究以及湍流与旋涡研究。对置于流场中的结构会出现涡旋在结构表面发生前缘分离流动、尾部分离流动、脱落旋涡等现象，将涡动力学中的导数矩变换(Derivative-Moment Transformations，DMT)方法应用于桥梁风工程问题中，能够获不可压有黏流场对结构的气动力表达式，通过涡动力学方法能够获得流场中的特征涡旋对结构运动的贡献，建立桥梁振动过程中绕流场涡旋流态、桥梁气动力和结构响应三者间的关系是研究的首要任务。

传统的气动力测量方法基于结构表面的压力积分，对结构表面布置风压测点，获得结构的升力与阻力。但是对于表面积分的方法主要缺点是只通过结构表面风压信息获得气动力，计算过程不包含流场中的流态特征，无法区分流场中不同区域对结构的气动力贡献。

发明内容

本发明目的是为了解决现有的技术问题，提出了基于OpenFOAM和导数矩变换的二维流场气动力重构方法。本发明所述方法既可以获得结构处于流场中的气动力，又可以分析不同流动区域对气动力的贡献。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出基于OpenFOAM和导数矩变换的二维流场气动力重构方法，所述方法具体包括：

步骤一、利用OpenFOAM获得桥梁流场与振动结果；

步骤二、利用paraview获得特征流动控制体数据；

步骤三、二维流场气动力重构：将矩形控制体内的流场数据与四条控制体边界数据作为输入，进行二维流场气动力重构获得结构气动力，所述二维流场气动力重构通过导数矩变换为基于流场流态的气动力重构公式，将流场流动信息与桥梁气动力相结合。

进一步地，在步骤一中，通过OpenFOAM六自由度求解器与pimpleFOAM求解器进行开展。

进一步地，所述步骤一具体为：首先建立桥梁结构二维网格模型，设置流动边界条件；依照结构质量与阻尼设置OpenFOAM动网格求解；其次根据库朗数设置计算步长与标准函数库的气动力输出，对OpenFOAM设置pimpleFOAM求解器与对应的离散格式和求解方法，并以此设置求解参数；最后，模拟流动的流场数据与结构振动数据，获得振动的特征流场。

进一步地，在步骤二中，通过开源软件paraview获得结构振动的逐时刻流场数据，分析结构振动稳定后的流动涡量场中特征流态区域；对来流区域、尾流区域和流动上下缘区域计算涵盖特征流态的控制体区间，将控制体选取为涵盖二维特征流态的矩形区域。