膜结构风振流固耦合效应和风致雪压的理论分析及数值模拟研究

论文摘要

膜结构柔性大、质量轻等特点决定了其控制荷载是风荷载和雪荷载。膜结构抗风设计中最显著的特点是发生风致振动时空气和膜结构间会发生流固耦合效应。目前国内外对膜结构风振流固耦合效应的研究还处于探索阶段,流固耦合效应也成为制约膜结构抗风理论发展的重要因素。膜结构的抗雪设计中,风力作用会使结构表面积雪产生堆积、漂移,从而导致雪荷载在结构上的不均匀分布,形成所谓的风致雪压。膜结构应考虑雪荷载不均匀分布,避免屋面过多积雪的产生。目前根据现行的荷载规范很难确定膜结构这样大型复杂结构表面的雪压,且国内外尚没有关于膜结构表面风致雪压的研究。因此研究膜结构风振中的流固耦合效应和风致雪压分布,对于完善膜结构抗风理论和抗雪理论,指导工程实践有着重要的意义和价值。论文的第一部分对膜结构风振中的流固耦合效应进行了研究。提出采用强耦合整体方法解决膜结构风振中的流固耦合问题。为解决空气流体域和结构域交界面的数据信息传递问题,采用伪实体弹性模型处理流体和固体交界面处的网格变形协调问题,根据引起单元变形的原因提出了一种网格更新方法。将该方法应用于膜结构的流固耦合分析中,结果验证了该方法的正确性和优越性。在伪实体模型的基础上,介绍了一种计算粘性不可压缩流体与经历大变形非线性结构间流固耦合作用的强耦合整体方法。通过流体方程、结构方程以及伪实体模型方程三者来实现系统的强耦和,推导了计算流固耦合问题的整体式方程。然后基于强耦合整体方法开发了数值模拟程序MWISP。应用强耦合整体方法对不同形状膜结构风振流固耦合效应进行了研究。对双坡型、鞍型膜结构在考虑耦合效应和不考虑耦合效应下的风压系数、风致振动等重要参数进行了计算分析,并将双坡型膜结构的风压系数与已有风洞试验结果的对比,结果符合良好,证明了强耦合整体方法及程序适用于计算膜结构风振中的流固耦合问题;同时计算了膜结构周围空气的风速矢量、压力场分布,得到了空气流体场的变化规律。强耦合整体方法计算所得的解具有很好的收敛性,对于有较强相互作用的耦合系统来说是一种高效的求解方法。论文的第二部分对膜结构的风致雪压进行了研究。基于两相流理论给出了空气相和雪相的控制方程,采用CFD技术计算模拟了不同形状膜结构周围雪漂运动及表面风致雪压分布。首先对鞍型膜结构的风致雪压进行了研究,计算了不同风向角下考虑风荷载对雪迁移作用后的屋盖表面雪压分布,总结了其表面风致雪压的分布规律;然后模拟了双坡型膜结构的雪漂形成过程,并研究了屋面重要几何参数变化时对雪漂及屋面雪压的影响规律,对于更安全、经济的进行膜结构的抗风雪设计提供了可靠的科学依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 膜结构的发展
• 1.1.2 膜结构设计的控制荷载――风荷载和雪荷载
• 1.1.3 膜结构抗风设计的特点
• 1.1.4 膜结构抗风雪设计的特点
• 1.2 结构抗风和抗风雪设计的方法
• 1.3 膜结构风振中流固耦合效应的国内外研究现状
• 1.4 膜结构风致雪压的国内外研究现状
• 1.5 膜结构风振中流固耦合效应和风致雪压研究中存在的问题
• 1.6 本文的主要研究内容
• 2 膜结构风振流固耦合数值模拟的基本理论
• 2.1 流体域的数值模拟技术
• 2.1.1 流体域的控制方程
• 2.1.2 湍流理论与常用数值模拟方法
• 2.1.3 流体域的边界条件
• 2.2 结构域的数值模拟技术
• 2.2.1 结构域的控制方程
• 2.2.2 结构域的边界条件
• 2.3 网格域的数值模拟
• 2.4 本章小结
• 3 膜结构风振流固耦合问题中的网格更新方法
• 3.1 概述
• 3.2 基于伪实体模型的网格更新方法
• 3.2.1 网格质量的控制
• 3.2.2 伪实体模型的有限元方程
• 3.2.3 单元刚化方法
• 3.3 网格更新计算步骤
• 3.4 网格更新方法的应用
• 3.5 本章小结
• 4 膜结构风振流固耦合分析的强耦合整体方法及程序开发
• 4.1 概述
• 4.2 膜结构风振流固耦合的强耦合整体方法
• 4.2.1 流体域和结构域控制方程
• 4.2.2 伪实体弹性模型方程
• 4.2.3 流体域与结构域的耦合条件
• 4.2.4 流固耦合系统的强耦和整体式方程
• 4.3 强耦合整体方法的数值模拟程序开发
• 4.3.1 程序结构构成
• 4.3.2 程序的实现
• 4.4 本章小结
• 5 强耦合整体方法在膜结构风振流固耦合分析中的应用研究
• 5.1 概述
• 5.2 膜结构的风洞试验
• 5.2.1 试验方案
• 5.2.2 刚性模型风洞测压试验
• 5.2.3 气动弹性模型风洞测振试验
• 5.2.4 试验结果
• 5.3 强耦合整体方法在膜结构风振流固耦合分析中的应用
• 5.3.1 圆柱绕流问题
• 5.3.2 双坡型膜屋面风振的流固耦合分析
• 5.3.3 鞍型膜结构风振的流固耦合分析
• 5.4 本章小结
• 6 膜结构风致雪压的数值模拟研究
• 6.1 概述
• 6.2 雪漂运动的数值建模
• 6.3 不同形式膜结构风致雪压的数值模拟研究
• 6.3.1 膜结构使用年限内基本雪压的计算
• 6.3.2 鞍型膜结构风致雪压的数值模拟
• 6.3.3 双坡型膜结构雪漂的数值模拟
• 6.3.4 屋面参数对风致雪压的影响
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 攻读博士学位期间已发表的学术论文及科研成果
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 源程序代码
• 附件