调谐液体阻尼器液体晃荡形态与阻尼力数值模拟研究

发布时间：2017-10-15 11:27

  本文关键词：调谐液体阻尼器液体晃荡形态与阻尼力数值模拟研究

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【摘要】：调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper,简称TLD)是一种有效的结构控制装置,它利用固定在结构物上的水箱在结构振动时晃荡产生的水压力作为反力,抑制结构振动。同时,液体的动能在水晃荡过程中由于水的粘性被耗散,起到了消能的目的。相比于传统的调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,简称TMD),TLD具有减振效果好、成本低,易于安装,维护简单等优点,且适于临时使用。当结构上有储液装置时,也可兼做TLD。本文首先介绍了TLD国内外的研究现状,包括浅水TLD和深水TLD的研究成果以及工程应用。然后,对于TLD减振时的晃荡现象展开了论述,详细介绍了晃荡现象的研究成果和研究方法,重点介绍了数值模拟方法。在此基础上,建立了基于CIP (Constrained Interpolation Profile)方法的求解Navier-Stokes方程的计算流体力学模型。数值模型离散采用有限差分方法,在交错网格上,时间方向使用分步积分方法,求解Navier-Stokes方程,其中,CIP方法应用在时间积分的第一步。使用BiCGSTAB(双共轭梯度稳定解法)求解泊松方程离散后的矩阵。自由面捕捉采用THINC (Tangent of Hyperbola INterface Capturing)格式求解,该方法具有界面紧致,无需重构,易于实现等特点。模型能够模拟剧烈的液体运动。TLD计算域的控制方程在动坐标系下表达,将网格的运动转化为流体受到的体积力。为了验证模型求解结果的正确性,模拟了溃坝和液舱晃荡并与试验结果进行了比较。溃坝计算结果证明了压力和自由面捕捉的准确性。晃荡的计算分别模拟了带隔板和不带隔板的液舱晃荡,压力以及液面变化与试验相比结果非常吻合,确认了在动坐标系下计算结果的正确性。TLD晃荡的模拟分为浅水TLD和深水TLD两种情况,分别模拟了不同液体深度下TLD在不同激励幅度和频率的激励下内部液体的响应。分析计算结果,探究了浅水TLD和深水TLD在工作时内部晃荡的形态以及不同变量对TLD阻尼力的影响。浅水TLD在晃荡时液体的运动形态主要是行波,在较浅深度时波浪破碎现象较剧烈,非线性为控制因素,能够耗散较多能量,在激励频率变化较大范围内,能够有较好的减振效果,而深水TLD在晃荡时液体运动形态为驻波,在激励幅度较大时才会出现波浪破碎,能量耗散较小,且频率工作区间较窄。TLD阻尼力的极值随着激励幅度的增加而增加。浅水TLD相比于深水TLD减振和消能效果更好,特别是浅水TLD的工作频率范围大,适用范围广。而深水TLD对激励频率较敏感,非共振频率激励下减振效果比浅水TLD的减振效果差。
【关键词】：调谐液体阻尼器 CIP 数值模拟 晃荡
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB535
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1. 绪论11-20
• 1.1. 研究背景11-12
• 1.2. TLD简介12-14
• 1.3. 研究现状14-17
• 1.3.1. 浅水TLD14-15
• 1.3.2. 深水TLD15-16
• 1.3.3. 其它16-17
• 1.4. TLD的应用17-18
• 1.4.1. 日本长崎机场控制塔17-18
• 1.4.2. 日本Shin-Yokohama王子酒店18
• 1.5. 本文主要研究工作18-20
• 2. 晃荡现象研究现状20-31
• 2.1. 解析方法21
• 2.2. 模型试验21-22
• 2.3. 数值模拟22-30
• 2.3.1. 描述方法及计算域划分方法24-25
• 2.3.2. 离散方法25-28
• 2.3.3. 自由面求解方法28-30
• 2.4. 本章小结30-31
• 3. 基于CIP方法的晃荡数值模型31-51
• 3.1. CIP方法31-37
• 3.1.1. CIP方法简介31-32
• 3.1.2. 一维CIP方法32-33
• 3.1.3. 二维CIP方法33-37
• 3.2. 控制方程37-39
• 3.3. 计算网格39-40
• 3.4. 时间积分的分步算法40-45
• 3.5. 界面求解45-48
• 3.6. 边界条件48-49
• 3.7. 本章小结49-51
• 4. 数值模型验证51-63
• 4.1. 溃坝51-57
• 4.1.1. 溃坝case151-54
• 4.1.2. 溃坝case254-57
• 4.2. 液舱晃荡57-62
• 4.2.1. 晃荡case157-60
• 4.2.2. 晃荡case260-62
• 4.3. 本章小结62-63
• 5. TLD晃荡形态与阻尼力模拟63-82
• 5.1. 浅水TLD63-75
• 5.1.1. 浅水TLD液体晃荡形态64-71
• 5.1.2. 浅水TLD阻尼力71-75
• 5.2. 深水TLD75-82
• 5.2.1. 深水TLD液体晃荡形态75-79
• 5.2.2. 深水TLD阻尼力79-82
• 6. 结论与展望82-84
• 6.1. 结论82
• 6.2. 展望82-84
• 参考文献84-90
• 致谢90-91
• 个人简历91
• 在学期间发表的学术论文91

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本文编号：1036858