考虑流固耦合的高耸钢结构抗风数值模拟

论文摘要

高耸钢结构是具有高度高、重量轻、刚度小、外形细长等特点的一种特殊结构形式,其外形特点决定了风荷载是其控制荷载。随着科技水平和施工工艺的不断进步、发展,高耸钢结构向着更高、更轻、更柔的方向发展,其固有频率更接近强风的卓越频率,对风荷载的敏感性进一步增强,在风荷载作用下的动力响应更为复杂。因此,深入研究高耸钢结构的风致效应具有重要的理论意义和工程实用价值。本文主要是基于通用有限元软件ADINA模拟高耸钢结构在考虑流体-结构耦合作用下的风致动力响应。采用Lagrangian方法来描述结构动力学控制方程。假定流体为粘性不可压缩流体,采用ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法来描述流体流动的动力学控制方程。同时采用基于流动条件插值（Flow-Condition-Based Interpolation,简称FCBI）三维单元的稳定有限元求解技术,来避免数值计算的不稳定性。本文首先采用标准κ-ε、RNGκ-ε、Wilcoxκ-ω、SSTκ-ω和LES五种湍流模型对一封闭高耸钢结构在三维流场下的绕流特性进行数值模拟,通过对数值计算结果的分析比较,证明LES湍流模型更适用于高耸钢结构的抗风分析。因此,在后文采用LES湍流模型对高耸钢结构的风致效应进行进一步的分析。随后以山东省李奇茂艺术馆上部风帆造型的高耸钢结构为工程背景,建立了该高耸钢结构的有限元刚性模型和考虑流固耦合作用的气弹性模型,进行数值模拟。通过对数值模拟结果的分析得到高耸钢结构表面的风压系数分布情况、结构的风载体型系数和风振系数,并与规范中的参考值进行比较,给出适用于实际工程设计的参考值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 风工程的发展和主要研究方法
• 1.2.1 风工程的产生和发展
• 1.2.2 风工程的研究方法
• 1.3 高耸结构抗风研究现状
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第二章 近地风特性与CFD数值模拟技术
• 2.1 近地风的特性
• 2.1.1 平均风描述
• 2.1.2 脉动风描述
• 2.2 CFD数值模拟技术
• 2.3 流体动力学控制方程
• 2.3.1 质量守恒方程
• 2.3.2 动量方程
• 2.3.3 能量方程
• 2.4 流固耦合（FSI）问题概述
• 2.4.1 基于ALE描述的流体控制方程
• 2.4.2 结构控制方程
• 2.4.3 流固耦合边界控制条件
• 2.4.4 流固耦合问题求解方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 湍流数值模拟方法及验证
• 3.1 引言
• 3.2 湍流的特征
• 3.3 湍流的描述方法
• 3.3.1 时间平均法（时均法）
• 3.3.2 空间平均法（体均法）
• 3.3.3 概率平均法
• 3.4 湍流的数值模拟方法
• 3.4.1 直接数值模拟方法（DNS）
• 3.4.2 Reynolds平均法（RANS）
• 3.4.3 大涡模拟（LES）
• 3.5 数值模拟方法验证
• 3.5.1 计算模型尺寸
• 3.5.2 数值模拟结果比较
• 3.5.3 风压分布系数比较
• 3.5.4 风载体型系数比较
• 3.6 本章小结
• 第四章 高耸钢结构风致振动响应分析
• 4.1 引言
• 4.2 工程概况
• 4.3 高耸结构自振特性分析
• 4.3.1 结构自振频率分析
• 4.3.2 结构自振特性的有限元求解
• 4.4 刚性模型数值模拟
• 4.4.1 计算模型建立
• 4.4.2 计算结果分析
• 4.5 弹性模型数值模拟
• 4.5.1 计算模型建立
• 4.5.2 计算结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表