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(dòng)問(wèn)題是一個(gè)典型的風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用的問(wèn)題.在某些情況下代表阻尼作用的氣動(dòng)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(guò)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(dòng),這種振動(dòng)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(dòng)容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生破壞,國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)這種振動(dòng)的發(fā)生條件、作用機(jī)理、參數(shù)識(shí)別、計(jì)算方法等進(jìn)行了多方面的研究.但是由于問(wèn)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(duì)不同形式失穩(wěn)振動(dòng)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(guò)計(jì)算流體動(dòng)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(dòng)(馳振)的空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)彈性力學(xué)特性以及激發(fā)這些失穩(wěn)振動(dòng)的氣流形態(tài)和作用機(jī)理. 為反映結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)流動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的影響,本文除建立固定不動(dòng)的計(jì)算區(qū)域外,還建立一個(gè)所謂的物理區(qū)域,該區(qū)域隨著結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)在每一時(shí)間步均同時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng),而計(jì)

3、算區(qū)域是固定不變的.通過(guò)坐標(biāo)變換將物理區(qū)域中的流動(dòng)風(fēng)場(chǎng)控制微分方程變換到計(jì)算區(qū)域中,即可建立引入結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)影響的流動(dòng)風(fēng)場(chǎng)控制方程.結(jié)構(gòu)本身簡(jiǎn)化為等截面的豎直剛體,其整體彈性特性通過(guò)底部假想的彈性支座實(shí)現(xiàn),求解過(guò)程中,對(duì)流動(dòng)風(fēng)的控制方程和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程在每一時(shí)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(shí)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(chǔ)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(chǎng)的數(shù)值模擬程序WSSG.程序采用FORTRAN語(yǔ)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(dòng)(馳振)的空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)彈性力學(xué)特性,以及激發(fā)這些失穩(wěn)振動(dòng)的氣流形態(tài)和作用機(jī)理等,適用于三維計(jì)算. 采用編制的數(shù)值模擬程序首先對(duì)靜止鈍體結(jié)構(gòu)繞流風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)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(dòng)風(fēng)壓,并且可以獲得風(fēng)場(chǎng)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)