典型建筑结构气动弹性问题的数值模拟研究

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风工程是研究大气边界层内的风与人类在地球表面的活动及其所创造的物体之间相互作用的一门交叉科学。风洞试验是研究风工程问题的主要方法,随着计算机技术和计算技术的发展,将计算流体动力学引入风工程的数值方法是继风洞试验之后的另一种手段。气动弹性问题是风工程问题的核心问题,本文采用数值方法来研究气动弹性问题中的涡激振动现象。基于松耦合方法,本文首先提出一种求解气动弹性问题的方法,在C语言环境下编制了用于求解二维和三维气动弹性问题的程序;然后对不同阻尼条件下二维圆柱横向涡激振动进行了计算,所得结果验证了本文方法的正确性和有效性:在此基础上,对二维圆柱和二维方柱的涡激振动进行了计算,详细考察了两串列方柱的干扰问题;最后对三维弹性高层建筑的涡激振动问题进行了计算。本文共有六章,各章的主要内容如下: 第一章为绪论。首先对风工程问题和气动弹性问题的基本概念及其研究方法进行了简单介绍:然后对湍流模型的发展进行了回顾和总结;结合数值计算的需要,最后对涡激振动的基本理论和研究现状进行了详细介绍。 第二章给出本文的数值模拟方法。通过对ALE理论和松耦合方法在气动弹性问题中应用的回顾,给出了本文的基于松耦合方法的求解气动弹性问题的数值模拟方法,并在C语言环境下编制了求解二维问题的程序:最后利用低雷诺数条件下具有不同阻尼的圆柱横向涡激振动对程序进行了验证,所得结果和已有文献的结果吻合,从而验证了本文方法的正确性和有效性。 以圆柱和方柱为例,第三章研究了典型二维柱体在单自由度和两自由度条件下的涡激振动问题。首先对低雷诺数条件下二维圆柱在两自由度条件下的涡激振动进行计算;然后对高雷诺数条件下二维方柱在单自由度和两自由度条件下的涡激振动进行计算;最后对二维柱体的旋涡脱落模式及气动力和位移之间的相位角随折减风速的变化规律进行了分析和总结,并给出了涡激振动是限幅振动的机理解释。 第四章研究了两串列方柱的干扰问题。首先对两固定串列方柱在不同间距(L/D:L表示两串列方柱中心的距离,D表示方柱的边长)条件下的气动干扰问题进行了计算,研究了两串列方柱的气动力、干扰因子以及旋涡脱落频率等气动参数随间距的变化规律;以L/D=6.0为例,在施扰方柱分别为刚性和弹性条件下对两串列方柱的气动弹性干扰问题进行了研究,从气动力、位移、旋涡脱落频率和旋涡脱落模式等角度重点考察了由于施扰方柱的旋涡脱落对受扰方柱横向涡激振动的影响。 第五章研究了三维弹性高层建筑的涡激振动问题。在前述二维问题程序的基础上,编制出三维问题的程序,然后对高宽比为6:1的方形截面弹性高层建筑风洞试验模型进行了模拟,重点考察了高层建筑周围的旋涡脱落和横风向风致位移响应;最后将数值模拟结果和风洞试验结果进行了对比,对数值计算方法的误差进行了分析。 第六章给出本文研究的结论,并对CFD技术在风工程中的应用提出建议。
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