鈍體高柔結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向氣彈失穩(wěn)機(jī)理的數(shù)值研究.pdf

1、高柔結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動問題是一個典型的風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用的問題.在某些情況下代表阻尼作用的氣動力可能由表現(xiàn)為正阻尼轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)阻尼,若結(jié)構(gòu)從風(fēng)力中吸收的能量超過了其自身的阻尼耗能,則結(jié)構(gòu)將發(fā)生發(fā)散式的失穩(wěn)振動,這種振動現(xiàn)象又稱為橫風(fēng)向馳振或顫振.由于高柔結(jié)構(gòu)的發(fā)散式失穩(wěn)振動容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)發(fā)生破壞,國內(nèi)外研究者對這種振動的發(fā)生條件、作用機(jī)理、參數(shù)識別、計算方法等進(jìn)行了多方面的研究.但是由于問題本身的復(fù)雜性以及研究條件和研究方法的局限等,迄今

2、對不同形式失穩(wěn)振動的發(fā)生機(jī)制特別是與氣流形態(tài)相關(guān)的作用機(jī)理還缺乏深入的揭示和理解.本文的主要目的是通過計算流體動力學(xué)(CFD)的數(shù)值模擬方法,研究矩形截面鈍體高柔結(jié)構(gòu)(超高層建筑或高聳結(jié)構(gòu))風(fēng)致橫風(fēng)向失穩(wěn)式振動(馳振)的空氣動力學(xué)和氣動彈性力學(xué)特性以及激發(fā)這些失穩(wěn)振動的氣流形態(tài)和作用機(jī)理. 為反映結(jié)構(gòu)運(yùn)動對流動風(fēng)場的影響,本文除建立固定不動的計算區(qū)域外,還建立一個所謂的物理區(qū)域,該區(qū)域隨著結(jié)構(gòu)運(yùn)動在每一時間步均同時發(fā)生運(yùn)動,而計

3、算區(qū)域是固定不變的.通過坐標(biāo)變換將物理區(qū)域中的流動風(fēng)場控制微分方程變換到計算區(qū)域中,即可建立引入結(jié)構(gòu)運(yùn)動影響的流動風(fēng)場控制方程.結(jié)構(gòu)本身簡化為等截面的豎直剛體,其整體彈性特性通過底部假想的彈性支座實現(xiàn),求解過程中,對流動風(fēng)的控制方程和結(jié)構(gòu)運(yùn)動方程在每一時間步中進(jìn)行交替和獨(dú)立求解,各方程中的相互作用部分在每一時間步上得到更新,以此模擬結(jié)構(gòu)與風(fēng)的相互作用. 本文基于結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格,采用變量同位存儲的同位網(wǎng)格體系和標(biāo)準(zhǔn)SGS大渦模型,

4、研制開發(fā)了建筑物繞流風(fēng)場的數(shù)值模擬程序WSSG.程序采用FORTRAN語言編制,可以模擬矩形截面鈍體高柔結(jié)構(gòu)(超高層建筑或高聳結(jié)構(gòu))風(fēng)致橫風(fēng)向失穩(wěn)式振動(馳振)的空氣動力學(xué)和氣動彈性力學(xué)特性,以及激發(fā)這些失穩(wěn)振動的氣流形態(tài)和作用機(jī)理等,適用于三維計算. 采用編制的數(shù)值模擬程序首先對靜止鈍體結(jié)構(gòu)繞流風(fēng)場進(jìn)行了計算,結(jié)果表明本文的程序可以準(zhǔn)確模擬建筑物表面的平均風(fēng)壓和脈動風(fēng)壓,并且可以獲得風(fēng)場結(jié)構(gòu)分布.然后將該程序應(yīng)用到高柔結(jié)構(gòu)的風(fēng)