基于动边界技术的单向张拉膜结构流固耦合效应研究

摘要

膜结构是二十世纪中期发展起来的一种新型大跨度空间结构体系，近年来应用十分广泛。该类结构具有质量轻、刚度小、阻尼小等特点，风荷载往往成为结构设计中的主要控制荷载。膜结构在风荷载作用下容易产生较大的变形和振动，这种变形和振动反过来也会影响结构周围的流场，进而影响到膜面风压分布，产生流固耦合效应，在膜结构的抗风设计中需要特别关注。由于膜结构流固耦合问题异常复杂，国内外对这一问题的研究并不成熟，研究方法主要有三种：解析方法、CFD数值模拟方法和气弹模型风洞试验方法，目前看来，数值模拟与气弹模型试验相结合的方法对膜结构流固耦合问题的研究具有重要意义。
　　本文基于FLUENT平台的动边界技术，将单向张拉膜结构的流固耦合问题简化为运动边界对流场影响的问题进行了研究。
　　首先针对单向膜结构的耦合流场，进行了动边界控制方法与动网格更新方法的选择，确定了流场的网格形式等问题。然后基于10m/s风速工况下的单向膜结构气弹模型试验，运用动边界技术进行了流场再现；并利用数值风压进行了膜结构的位移响应分析，流场与结构位移的计算结果均与试验结果吻合较好，说明了该方法用于研究单向膜结构流固耦合效应的可行性。
　　在此基础上，对单向膜结构指定简谐运动形式，对比了膜面平衡位置、振动幅度、振动频率及振动模态等参数对流场的影响，探讨了简谐振动下的流固耦合效应。结果表明，平衡位置越大漩涡越明显，对流场形式起主要作用，进而影响了膜面风压分布；结构振幅越大、振动频率与模态越高，振动对流场的耗散作用越明显，流场将趋于稳定，并且振动频率控制了流场主频，加快了流场的发展。
　　然后，根据不同风速下气弹模型试验获得的位移时程，对膜结构实际振动情况下的流场进行了模拟分析，探讨了随机振动下的单向膜结构流固耦合效应。结果表明，当超过一定风速后，结构振动明显增强，将在一定程度上减弱膜面平均风压值，并改变了脉动风压分布形式。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 膜结构流固耦合问题的研究综述

1.3 本文的主要工作

第2章 基于动边界技术的CFD数值模拟方法

2.1 引言

2.2 CFD数值模拟方法

2.3 动边界技术

2.4 算例分析

2.5 本章小结

第3章 简谐振动下的单向膜结构流固耦合效应研究

3.1 引言

3.2 简谐振动的参数确定

3.3 单向膜结构简谐振动的流场分析

3.4 本章小结

第4章 随机振动下的单向膜结构流固耦合效应研究

4.1 引言

4.2 单向膜结构气弹模型试验简介

4.3 单向膜结构随机振动的流场分析

4.4 简化气弹模型的附加气动力分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

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