影響流固耦合效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)分析★

趙世龍 秦學(xué)峰 沈天悅 張若俞 趙旻旻 賈 杰*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

影響流固耦合效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)分析★

趙世龍 秦學(xué)峰 沈天悅 張若俞 趙旻旻 賈 杰*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

利用ANSYS軟件對(duì)流固耦合問(wèn)題進(jìn)行了參數(shù)分析，介紹了流固耦合理論及數(shù)值模擬前期成果，基于固定其他影響因素，通過(guò)改變影響結(jié)構(gòu)流固耦合效應(yīng)的風(fēng)速和風(fēng)向角，得到了結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)特性和流固耦合效應(yīng)的影響規(guī)律，對(duì)結(jié)構(gòu)—風(fēng)荷載流固耦合效應(yīng)的研究有一定參考價(jià)值。

流固耦合，風(fēng)荷載，數(shù)值模擬，振動(dòng)頻率

0 引言

當(dāng)前風(fēng)致振動(dòng)是影響建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生災(zāi)變的主要原因之一。對(duì)于風(fēng)的動(dòng)力效應(yīng)一般采用等效靜力風(fēng)荷載來(lái)處理。然而事實(shí)上風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)是耦合的相互作用，從而產(chǎn)生了所謂的“流固耦合效應(yīng)”。有些情況下，流固耦合效應(yīng)能抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，如若不考慮流固耦合作用所得到的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)結(jié)果往往保守性大且成本高。但有時(shí)流固耦合效應(yīng)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)起到激勵(lì)作用使之產(chǎn)生自激性振動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)會(huì)明顯增大，相應(yīng)的會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用[1]。

跨度更大，結(jié)構(gòu)更輕、更柔是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)對(duì)于風(fēng)荷載作用下的流固耦合效應(yīng)更加敏感，因此深入系統(tǒng)的研究風(fēng)荷載的作用機(jī)理以及流固耦合效應(yīng)，具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值[2]。

前期應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)低層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同湍流模型的數(shù)值模擬，通過(guò)不同風(fēng)向角結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓系數(shù)等值線的分析，得出風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，驗(yàn)證流固耦合效應(yīng)下風(fēng)荷載數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性[3]。本文意在進(jìn)一步分析流固耦合效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)對(duì)特定結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布規(guī)律分析、修正，得出影響流固耦合效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)有哪些，改變影響結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)流固耦合效應(yīng)的主要外界因素，得到對(duì)結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)特性和流固耦合效應(yīng)的影響規(guī)律。可以為風(fēng)致流固耦合問(wèn)題應(yīng)用在空間結(jié)構(gòu)、大跨徑橋梁等提供參考，從而使工程實(shí)際中開(kāi)發(fā)出更可靠的實(shí)用方法。

1 流固耦合理論分析

“流固耦合”是指處于流體中的物體由于受到流體力的作用而產(chǎn)生形變與振動(dòng)，結(jié)構(gòu)形變又會(huì)導(dǎo)致流體邊界條件的變化，從而對(duì)流體產(chǎn)生反作用。其研究方法主要包括理論分析、工程實(shí)測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬四種。四種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中數(shù)值模擬對(duì)模型尺寸的影響不敏感，避免了試驗(yàn)過(guò)程中各模型雷諾數(shù)相似的難點(diǎn)；可以便捷的修改各項(xiàng)參數(shù),以研究不同參數(shù)下流固耦合效應(yīng)的影響；而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法在風(fēng)工程中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越突出[4-6]。

2 流固耦合數(shù)值模擬前期成果

基于文獻(xiàn)[1]的研究可以得到以下三點(diǎn)結(jié)果：

1)流固耦合對(duì)結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)中的風(fēng)壓分布產(chǎn)生了很大的影響，導(dǎo)致其不斷變化且幅值變化很大。

2)結(jié)構(gòu)在風(fēng)向角α=0°且中等風(fēng)速作用下Z方向位移變化不大、應(yīng)力變化顯著；振動(dòng)前十幾階頻率都比較密集突出，并不都是以單一基頻為主。

3)對(duì)特定結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布規(guī)律分析、修正，得出影響流固耦合效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)有：風(fēng)速、風(fēng)向角、脈動(dòng)風(fēng)的特性、結(jié)構(gòu)矢跨比、結(jié)構(gòu)特征尺寸等。

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)

在前期對(duì)結(jié)構(gòu)流固耦合效應(yīng)的研究基礎(chǔ)上，固定其他影響因素的變化，就風(fēng)向角和風(fēng)速的變化，利用數(shù)值模擬技術(shù)分別對(duì)流固耦合效應(yīng)的影響進(jìn)行參數(shù)影響分析[7]。

3.1 風(fēng)速的影響

固定其他影響因素的變化，只改變風(fēng)速分析其對(duì)流固耦合效應(yīng)的影響。α=0°，平均風(fēng)速的變化范圍為v=5 m/s～40 m/s，每次增加Δv=5 m/s。風(fēng)向角α=0°時(shí)采樣點(diǎn)分布圖見(jiàn)圖1。

由圖2看出結(jié)構(gòu)的卓越頻率在不同位置是有很大差別的，當(dāng)v≤25 m/s時(shí)節(jié)點(diǎn)375,節(jié)點(diǎn)67,節(jié)點(diǎn)361和節(jié)點(diǎn)81的卓越頻率基本維持在13 Hz左右保持不變。當(dāng)v>25 m/s時(shí)頻率降到10 Hz左右，且節(jié)點(diǎn)221和節(jié)點(diǎn)368的卓越頻率在v≤25 m/s時(shí)以基頻振動(dòng)為主，隨風(fēng)速增大先減小到7 Hz左右，當(dāng)v>25 m/s時(shí)迅速增加到10 Hz，與圖1中模型的四個(gè)頂點(diǎn)接近重合。由于結(jié)構(gòu)卓越頻率最終趨于同一值10 Hz，結(jié)構(gòu)極易發(fā)生氣彈失穩(wěn)破壞。

由圖3可知，其他影響因素不變，隨著風(fēng)速的增大，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值隨之增大。除節(jié)點(diǎn)221之外，其他節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)位移峰值與風(fēng)速的平方呈近似的斜直線分布規(guī)律，節(jié)點(diǎn)221振動(dòng)峰值的增長(zhǎng)比風(fēng)速的平方要快。風(fēng)速v≤25 m/s時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)相接近，v>25 m/s時(shí)則明顯大于其他節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明振動(dòng)位移與流動(dòng)風(fēng)在邊界處成弱非線性，中央處成強(qiáng)非線性特性。

由圖4可知，其他影響因素不變，隨著風(fēng)速的增大，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力隨之增大。整體應(yīng)力峰峰值的變化要比風(fēng)速的平方變化的快，呈平面曲線上升。風(fēng)速v≤20 m/s時(shí)，應(yīng)力變化峰值趨于一致，當(dāng)v>20 m/s時(shí)，應(yīng)力峰值增長(zhǎng)迅速但變化量不盡相同，說(shuō)明應(yīng)力變化幅值與流動(dòng)風(fēng)在邊界處成強(qiáng)非線性特性。

3.2 風(fēng)向角的影響

固定其他影響因素的變化，只改變風(fēng)向角分析其對(duì)流固耦合效應(yīng)的影響。v=30 m/s，風(fēng)向角變化范圍為α=0°～90°，每次增加Δα=22.5°。風(fēng)向角的定義見(jiàn)圖5。

由圖6得，當(dāng)風(fēng)速v=30 m/s時(shí)，隨著α∈[0°,45°]逐漸增大，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)卓越頻率從13 Hz增大到25 Hz；當(dāng)α∈[45°,90°]繼續(xù)增大到90°，卓越頻率從25 Hz減小到15 Hz左右。即α=45°時(shí)，結(jié)構(gòu)各位置的振動(dòng)卓越頻率最大。

由圖7，圖8可以看出，隨著風(fēng)向角的增大，結(jié)構(gòu)各個(gè)位置的振動(dòng)位移與應(yīng)力變化很大。隨著α∈[0°,90°]變化，振動(dòng)位移變化幅值與風(fēng)向角成近似正弦波形變化；應(yīng)力變化幅值與風(fēng)向角也成近似正弦波形變化。

4 結(jié)語(yǔ)

文章基于固定其他影響因素，僅考慮風(fēng)速和風(fēng)向角的變化對(duì)流固耦合效應(yīng)的影響，并對(duì)其影響進(jìn)行參數(shù)分析，當(dāng)v>25 m/s時(shí)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)卓越頻率接近重合，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)容易發(fā)生氣彈失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移與流動(dòng)風(fēng)在邊界處成弱非線性，中央處成強(qiáng)非線性特性。應(yīng)力變化幅值與流動(dòng)風(fēng)成明顯的非線性，呈平面曲線上升變化。α=45°時(shí)，結(jié)構(gòu)各部分的振動(dòng)卓越頻率最大，應(yīng)力變化幅值與風(fēng)向角也成近似正弦波形變化。結(jié)構(gòu)中央是最不利區(qū)域，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視，可供工程設(shè)計(jì)參考使用。

[1] 王春江，李向明，陳 鋒.長(zhǎng)單索結(jié)構(gòu)的多參數(shù)流固耦合分析[J].力學(xué)與實(shí)踐，2010,32(2):22-25.

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[7] 滕 佳.膜結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)流固耦合數(shù)值模擬分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2013：6-8.

Analysis of the parameters of impact the strength with fluid-structure interaction★

Zhao Shilong Qin Xuefeng Shen Tianyue Zhang Ruoyu Zhao Minmin Jia Jie*

(College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

In this paper, the software of ANSYS is used to analyze the parameters of the fluid-structure interaction. It changes the main external factors effecting fluid-structure interaction in wind-induced vibration of wind speed and direction angles with fixed other influencing factors. Then it has the numerical simulation of the low-rise building structure under the wind load and outputs the calculation result. The result is obtained the structure of the wind-induced vibration characteristics and the influence law of fluid-structure coupling effect. It has a certain reference value of fluid-structure interaction for structure-wind load.

fluid-structure interaction, wind load， numerical simulation, vibration frequency

1009-6825(2017)16-0032-03

2017-03-13★：黑龍江省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：201610225131)；黑龍江省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：QC2014C043)

趙世龍(1996- )，男，在讀本科生

賈 杰(1980- )，男，博士，副教授

TU311.3

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