发展与创新
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工程技术与发展
流固耦合力学应用情况综述
张代齐 张江波
中建长江建设投资有限公司 四川成都 610000
【摘 要】本文简要介绍了流固耦合力学的研究背景、定义及分类，综述了流固耦合力学在几个重要领域中研究与应用情况的进展，并对 其用于冲刷计算进行了展望。
【关键词】流固耦合，应用，冲刷
1 流固耦合力学概况 1.1 定义和特点
流固耦合问题可由其耦合方程定义，这组方程的定义域同时有 流体域与固体域。而未知变量含有描述流体现象的变量和含有描述 固体现象的变量，一般而言具有以下两点特征：
1）流体域与固体域均不可单独地求解；
2）无法显式地削去描述流体运动的独立变量及描述固体现象 的独立变量。
1.2 流固耦合分类
近些年来流固耦合理论在土木工程领域尤其是大跨空间结构
（如索膜结构）的风致响应分析领域的应用越来越广泛，并形成了 较多的研究成果。1975 年 Kunieda 采用势流理论分析了悬挂屋盖和 双曲薄膜屋盖结构的颤振问题。1981 年 Irwin 对加拿大蒙特利尔奥 体馆的可伸缩膜结构屋盖结构进行了气弹模型风洞试验研究。1986 年 Nakayama 等研究了流固耦合 作用对半球状充气膜结构的影响；
Kawamura 也研究了流固耦合作用对充气膜结构的影响，对气弹模 型和刚性模型均进行了风洞试验研究；Uematsu 对悬索屋盖的气弹 响应性能进行了分析。1997 年 Sygulski 应用不可压势流理论对膜结 构失稳的发散形式和颤振形式以及无量纲稳定分析进行了研究。
1999 年 Kawai 应用自由振动实验与强迫振动实验分析了大型悬挑屋 盖的气弹特性及质量、俯仰角和阻尼比等参数对风致振动的影响。
2001 年 Zhang 采用 ALE 有限元法计算在结构屈曲和流场变化较大 的情况下的流固耦合问题，并采用了某种稳定的强耦合算法来保持 运算的较高的数值稳定性。2002 年 Hubner 采用强耦合算法模拟了 二维轻质 膜结构的流固耦合问题。2003 年 Glǚck 提出了用于计算 轻型结构流固耦合作用的数值分析方法，且能有效地解决具有大位 移的柔壳结构及膜性结构的风致振动响应问题，并采用分区耦合算 法成功计算了某一膜帐篷结构在 30m/s 风速湍流条件下的稳态变 形。Stein 提出了用于流固耦合计算的自动网格更新算法（SEMMT），
将耦合界面处极薄的流体单元当做固体单元的延展来处理，对于复 杂几何及大位移问题有很好的适用性，利用弱耦合算法对降落伞进 行了动力分析。2004 年 Paulo 提出一种稳定有限元程序，运用自适 应的时空调节策略分析了某大桥跨中主控断面在湍流中的流固耦 合问题，并进行了风洞试验作对比分析。2005 年 Teixeira 针对三维 不可压缩流中柔性板壳结构的流固耦合问题提出了一种有限元分 区算法。Bletzinger 对轻型薄壁壳、悬挂膜屋盖及帐篷结构的流固耦 合问题算法进行了处理。2006 年 Matthies 等人深入研究了流固耦合 作用的不同分区算法的计算效率问题及强耦合求解的算法。
2 流固耦合力学用于冲刷计算的展望
冲刷是水流在桥梁墩台、河岸、河床或其他水工结构附近搬运 与挟带泥沙的过程。不同的床质具有不同的冲刷特性,非黏性泥沙河 床会很容易发生冲刷,而黏性泥沙的抗冲刷能力远远高于非黏性泥 沙。冲刷可分为河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷三种情况。
上世纪七十年代后，计算机技术得到迅速发展,对桥梁墩台局部 冲刷数学模型的研究越来越受到人们的重视。局部冲刷过程的数值 模拟主要包括模拟结构物周围流场、泥沙运输过程、床面演化的控 制方程以及相应的边界条件。
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