环状结构涡激振动的数值模拟和风洞试验研究

论文摘要

近二十年来,超高、大跨度和轻质建筑物中,结构对风作用的敏感性大大增强,风荷载成为此类建筑物控制设计的主要荷载之一。如何计算风对建筑物的作用已成为理论与工程界关注的热点问题。伴随着计算机软硬件技术的迅速提升,数值模拟技术以其显著的优势和展现出的良好前景在结构风工程领域的研究中引起了越来越多的关注,并承担起越来越重要的角色。由于现代建筑体型日趋复杂,各国荷载规范所能提供的风载体型系数及风振情况又十分有限,国内外一般都通过风洞试验的方法来确定体型系数及其风振情况。本文依托FLUENT软件平台,对常州东经线120景观塔工程进行了涡激振动相关方面研究。本文首先详细阐述了CFD技术及其基础理论,总结出应用计算流体力学软件FLUENT对钝体建筑物绕流风场进行模拟时其计算流域、网格划分、边界条件、湍流模型以及计算参数等的确定原则及方法。其次,针对该工程做了风洞试验相关研究。风洞试验进行了紊流场和均匀流场两种情况的分析工作,研究作用于建筑物上的风荷载及风致振动特性,为结构设计提供依据。气动弹性模型试验的主要目的是获得风可能引起的涡激振动、抖振、驰振等风致振动,从而对其抗风特性进行全面评价,并得到规范要求的风振系数。再次,对该塔出现涡激振动现象进行了数值模拟。数值模拟分为二维和三维模型进行模拟。分别用RNG k-ε和LES两种湍流模型进行计算,用软件所得数据推导换算涡激振动频率值。最后,利用软件所得数据推导换算涡激振动频率数值与风洞试验进行了比较,最后详细分析了计算值与试验值间存在差别的原因。通过具体工程分析表明数值模拟是可靠的,采用计算流体动力学方法进行建筑物涡激振动研究是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 风的特性及风对建筑物的作用
• 1.2 结构风工程研究现状
• 1.3 本文的选题背景及研究内容
• 第2章 计算分析理论与技术
• 2.1 相关概念
• 2.1.1 雷诺数
• 2.1.2 斯脱罗哈数（Strouhal数）
• 2.2 横风向风荷载及响应计算
• 2.2.1 横向涡激力的计算
• 2.2.2 横风向共振响应计算
• 2.3 计算流体力学计算原理
• 2.4 湍流模型
• 2.4.1 RNG k-ε模型计算方法
• 2.4.2 LES模型计算方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 风洞试验概况
• 3.1 工程简介
• 3.2 试验目的
• 3.3 试验方案及试验条件
• 3.3.1 模型设计及制作
• 3.3.2 大气边界层的模拟
• 3.3.3 测压试验
• 3.3.4 气弹模型试验
• 3.4 试验数据处理
• 3.4.1 测压试验数据处理
• 3.4.2 气动弹性模型试验数据处理
• 3.5 本章小结
• 第4章 数值模拟
• 4.1 结构模态
• 4.2 漩涡脱落模拟
• 4.2.1 湍流计算模型简介
• 4.2.2 二维计算
• 4.2.3 三维计算
• 4.3 本章小结
• 第5章 结构风振控制
• 5.1 振动控制的分类
• 5.2 受控风振反应计算基本原理
• 5.3 风振响应实验结果
• 5.4 建筑隔振减振技术
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献