结构横风向涡激振动的数值模拟

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目前国内外风工程实践中,计算流体力动力学(CFD)的应用还处于起步阶段,工程界对该方法的可行性缺乏足够的认识,所做的应用研究也很少.但是近年来随着计算机计算速度的迅猛发展,基于计算流体动力学的数值方法迅速发展、日趋成熟,虽然这些方法还不能代替风洞试验,但已经成为研究钝体绕流问题的另一种手段.基于计算流体动力学(CFD)的风工程数值模拟技术(CWE)与风洞试验研究、理论模型和分析、现场测试一起构成了建筑结构抗风研究的主要手段.本文利用CFD软件FLUENT研究了结构横风向涡激振动进行数值模拟,并对结果进行了详细的分析,提出了具有实用价值的结论和建议.本文的主要研究内容如下:首先,本文对钝体绕流问题的基本特点、基本公式以及目前常用的数值模拟方法进行了介绍,并着重介绍了求解不可压缩流场的SIMPLE方法.为了证明FLUENT软件对于不可压缩绕流流场计算的适用性,本文对经典的圆柱绕流问题进行了验算.并将其结果包括阻力系数、升力系数、斯脱海尔数以及等涡量线图等与实验结果和其他作者的计算结果进行了比较,结果吻合得很好,肯定了本文流体动力模拟的可行性,并成功的将FLUENT6.0用于结构绕流的数值模拟计算.然后,针对不同雷诺数下的圆柱和方柱绕流进行了二维数值模拟分析.模拟得到了结构旋涡脱落的规律,得到了任意时刻的流场图以及等涡量线图等,阻力系数以及升力系数的时程曲线.通过对升力系数的时程曲线进行FFT变换得到升力曲线的能谱图,从中得到了斯脱海尔数以及旋涡脱落特性.其计算结果和风洞试验及其别人用其他方法所得到的结果很符合.阻力系数、升力系数以及斯脱海尔数在结构风工程中有较好的应用前景.本文数值方法研究结构绕流具有一定的精度,与风洞试验相比无需昂贵的风洞试验设备和测量仪器,摆脱了风洞试验周期长、费用高的缺点、不用试验模型的设计和制作,可重复性好.但风洞试验仍然具有不可替代的作用,因此,如将数值模拟方法和风洞试验相结合,结果将会更加可靠.
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