风对结构作用的数值模拟及柔性结构气弹分析

摘要

数值模拟作为结构抗风研究的主要方法之一，随着计算机的迅速发展，无论在数值模拟理论和方法，还是在数值计算对象和能力等方面都取得了显著的成就。结构风工程数值模拟方法能够把结构风场的速度和压力场在时间和空间上的真实三维分布形象地表现出来，在风工程领域已得到越来越广泛的应用。但由于风对结构作用物理过程的复杂性以及结构自身的特性，要使数值模拟成为工程设计中简便可靠的方法，还需要做很多深入的工作。本文围绕建筑结构抗风设计理论和方法，开展了数值模拟方面的一些研究工作。
　　 对流体运动方程采用有限体积法求解，改进了同位网格上的SIMPLEC算法，在导出压力修正方程的源项时采用动量插值，引入相邻两点的压差，从而消除了不合理的压力场。将该算法应用于两相邻建筑绕流流畅的数值模拟，并通过实验验证了算法的有效性。
　　 基于Reynolds平均的Navier-Stokes方程数值模拟方法必须附加湍流模型才能数值求解Navier-Stokes方程。本文分别采用分离涡模拟(Detached Eddy Simulation，DES)方法、标准k-ε模型和RNG k-ε模型对标准建筑模型三维非定常流动进行了数值模拟，并与实验结果进行了比较。分析结果表明，DES方法中的LES对湍流场中的大尺度分量进行直接模拟，对复杂流动具有较好的适应性，能够较准确预测建筑绕流流动。RNG k-ε模型能够定性分析建筑流场的流动特性，但标准k-ε模型模拟结果误差稍大。
　　 采用弱耦合分区数值求解方法研究了风与柔性结构相互作用的问题。该方法采用计算流体力学求解Navier-Stokes方程来模拟非定常气动力，应用计算结构力学模拟柔性结构响应，采用任意啦格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE)方法来解决流体与结构耦合计算中运动界面协调问题。对于不同的计算域，分别采用各自通用的程序进行求解。分析了风速变化对柔性结构非线性运动规律的影响。

目录

文摘

英文文摘

第1章 研究工作概述

1.1前言

1.2研究背景和研究课题的提出

1.2.1风对结构的作用

1.2.2风工程研究方法

1.3研究现状与分析

1.3.1计算风工程研究方法分析

1.3.2柔性结构风振响应研究综述

1.3.3流固耦合力学研究综述

1.4本文的主要工作

第2章计算风工程数值分析方法

2.1风绕建筑流动的控制方程

2.1.1建筑物绕流的控制方程组

2.1.2方程组无量纲化

2.2常用数值方法简介

2.3同位网格上的SIMPIEC方法

2.3.1 同位网格的特点

2.3.2空间区域的离散

2.3.3控制方程的离散及最后形式的代数方程组

2.3.4压力修正方法

2.4.同位网格上SIMPLEC算法计算步骤

2.5加速代数方程组求解方法(GMRES方法)

2.5.1 Krylov子空间方法

2.5.2 GMRES方法

2.5.3预条件

2.6算例分析及讨论

2.6.1 同位网格上SIMPLEC算例分析

2.6.2 GMRES算法分析

2.7 本章小结

第3章 高层建筑风荷载数值模拟

3.1物理模型和控制方程

3.2网格系统

3.3计算区内建筑物的处理方法

3.4湍流模型

3.5边界条件和壁面处理方法

3.5.1边界条件

3.5.2壁面函数方法

3.6 计算结果及讨论

3.6.1单体建筑风洞实验

3.6.2建筑表面压力分布

3.6.3湍动能分布

3.3本章小结

第4章 湍流模型的应用和适应性比较

4.1建筑周围流场特性及其数值求解的困难

4.1.1建筑周围气流特征

4.1.2建筑周围风场数值求解的困难

4.2多种湍流模型在计算立方体周围流场的比较

4.2.1 立方体周围流场多种模型计算结果比较

4.2.2标准κ-ε模型的改进

4.3湍流LES模拟

4.4 LES和RANS建筑三维流场数值计算比较

4.5 本章小结

附录

第5章 柔性结构考虑流固耦合作用的分区求解方法

5.1流固耦合数值模拟方法概述

5.2基于松耦合的分区求解方法

5.2.1流体运动方程(基于ALE描述)

5.2.2结构运动方程

5.2.3 流固耦合界面控制条件

5.2.4网格更新

5.2.5界面信息传递

5.3 流固耦合数值求解方法

5.4柔性结构流固耦合数值模拟与分析

5.4.1计算模型

5.4.2计算结果与分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1本文主要工作

6.2进一步研究展望

参考文献

致谢

博士生期间发表的学术论文，专著

博士后期间发表的学术论文，专著

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