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《哈尔滨工业大学》 2009年
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结构流固耦合振动与流动控制的数值模拟

徐枫  
【摘要】:现代结构向超高层和大跨度方向发展,使结构变轻、变柔,结构在风荷载作用下的流固耦合效应十分突出。深入系统地研究结构流固耦合效应及其流场主动控制方法与机理,具有重要的学术价值和广阔的应用前景。 本文采用CFD数值模拟方法,研究结构/群的涡激振动及其绕流场控制原理,揭示湍流来流条件下结构涡激振动的特点和规律,并将研究成果应用于实际超高层建筑结构绕流场及其风致振动效应的分析中。 本文的主要研究内容如下: 首先,在Fluent流体计算平台基础上,在C语言下自编结构域振动程序(采用Newmark-β算法),并通过动网格技术更新边界,发展一种弹性支撑刚性柱体流致振动的数值模拟计算方法。在此基础上,研究不同截面形状柱体的振动特点,分析结构参数和流向振动对圆柱气动力和位移的影响规律,给出尾流涡结构,揭示柱体振动与涡脱模式间的关系。 第二,建立弹性支撑圆柱群流固耦合振动系统的数值计算方法;研究正方形顺排排列四圆柱的固定绕流干扰效应,以及间距对各圆柱气动力及频率特性的影响;进一步研究弹性支撑四圆柱的气动弹性干扰效应,分析间距对各圆柱的气动力和振动响应的影响规律,揭示流场结构与涡脱模式。 第三,研究表面带振荡附属物的单圆柱涡激振动,建立表面带振荡附属物的单圆柱涡激振动模型,分析附属物的尺寸、旋转方向和振荡幅度对圆柱涡激振动幅值的影响,分析气动力和位移随折减风速的变化规律及与附属物振荡方向的相关性。 第四,研究CFD数值模拟中湍流来流边界的实现方法,通过单圆柱的绕流结果揭示出流场的脉动特性,进一步研究不同湍流强度脉动风作用下单圆柱的涡激振动,重点分析圆柱的位移幅值和锁定区范围随折减风速的变化规律,指出与平均风作用下单圆柱涡激振动结果的差别并分析产生差别的原因。 第五,将本文实现的脉动风来流边界应用于实际工程结构,基于数值风洞技术预测超高层建筑表面的平均风压和脉动风压,并与风洞实验结果进行比较;进一步对超高层建筑的风致流固耦合振动进行数值模拟,并与常态风和台风作用下该超高层建筑的现场实测结果进行对比,重点分析了结构的振动响应和气动力随高度和时间的变化规律,通过不同高度处的涡量等值线图分析结构振动对流场的影响。 最后,采用角动量尾迹控制法对固定方柱绕流场实现主动流动控制,研究不同风向和角动量大小对流场的控制效果;进一步研究了角动量尾迹控制法对弹性支撑方柱单自由度横向振动的抑制,通过方柱表面的平均压力分布和尾流涡量等值线图揭示该方法实现流动控制的机理。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TU311.3

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 何长江;柔性立管涡激振动试验与数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 王承启;大跨度钢桁架拱桥风振研究[D];重庆大学;2011年
3 郑朝荣;高层建筑风荷载吸/吹气控制的数值模拟研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 张友林;海洋立管涡激振动抑制方法研究[D];江苏科技大学;2011年
2 张世宇;高层建筑风荷载及风致振动的数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2011年
3 常亚琼;基于ADINA的门机风载流固耦合分析与碰撞动力学研究[D];武汉理工大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 熊永亮;郜冶;王革;;水下超空泡航行体减阻能力的数值研究[J];弹道学报;2007年01期
3 罗俊杰;韩大建;;大跨度结构随机脉动风场的快速模拟方法[J];工程力学;2008年03期
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中国重要会议论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 崔洪宇;洪明;周平;赵德有;;导管架式海洋平台自适应预测逆控制研究[J];船舶力学;2011年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张二辉;张素侠;刘习军;;斜拉桥拉索风雨激振问题研究现状[A];第十三届全国非线性振动暨第十届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议摘要集[C];2011年
2 白玉磊;戴建国;欧进萍;;FRP、钢箱梁斜拉桥抖振性能分析与比较[A];2011复合材料桥梁技术研讨会论文集[C];2011年
3 陆晔;滕蓓;祁恩荣;;基于bladed软件的风力发电机组稳态风性能曲线研究[A];纪念徐秉汉院士船舶与海洋结构力学学术会议论文集[C];2011年
4 罗振兵;夏智勋;;压电式合成射流激励器计算模型——罗-夏模型[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
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6 周振凯;刘占芳;颜世军;;水平轴风力机风轮的气动设计[A];重庆力学学会2009年学术年会论文集[C];2009年
7 唐飞熊;秦大同;陈亮;;风电齿轮箱随机输入载荷的处理方法[A];2010年重庆市机械工程学会学术年会论文集[C];2010年
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9 徐枫;欧进萍;;方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟[A];2005年全国博士生学术论坛(土木建筑学科)论文集[C];2005年
10 常宗瑜;张喜超;徐长密;王蕾;;浮体结构-铰接系泊系统的非线性响应分析[A];第十四届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(上册)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王哲;大型风电机组变桨距控制策略研究[D];沈阳工业大学;2010年
2 井艳军;双馈风电机组模型预测控制研究[D];沈阳工业大学;2011年
3 王晓东;大型双馈风电机组动态载荷控制策略研究[D];沈阳工业大学;2011年
4 马志勇;大型风电叶片结构设计方法研究[D];华北电力大学(北京);2011年
5 范忠瑶;风力机定常与非定常气动问题的数值模拟研究[D];华北电力大学(北京);2011年
6 陈元坤;分裂导线的微风振动与次档距振荡研究[D];华中科技大学;2011年
7 张鸣祥;大跨度桥梁的风致振动分析与被动控制研究[D];合肥工业大学;2011年
8 雷凡;水下柔性结构流固耦合动力效应研究[D];武汉理工大学;2011年
9 高洋洋;多柱体系统静止绕流与涡激振动的试验及数值研究[D];中国海洋大学;2011年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 时磊;半潜平台动力定位系统的评估及优化研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 马宏男;高速水下航行体半实物实时仿真系统研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 刘鹏;深海钻井立管概念设计与分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 高峰;超深水顶端张紧式钻井隔水管结构与VIV疲劳分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 付殿福;非线性载荷下半潜式平台强度评估方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 迟令宝;海底犁式挖沟机总体结构研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 周国成;管束流致振动与噪声特性研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 沈亚南;考虑逐步破坏和环境载荷影响的复合材料风机叶片的强度和刚度分析[D];大连理工大学;2010年
9 唐东洋;风浪联合作用下深水半潜式平台水动力性能实验研究[D];大连理工大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 张建国;叶丰;顾明;;典型超高层建筑横风向气动力谱的构成分析[J];北京工业大学学报;2006年02期
3 李椿萱,彭少波,吴子牛;附属小圆柱对主圆柱绕流影响的数值模拟[J];北京航空航天大学学报;2003年11期
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8 全涌;顾明;;高层建筑横风向风致响应及等效静力风荷载的分析方法[J];工程力学;2006年09期
9 罗俊杰;韩大建;;大跨度结构随机脉动风场的快速模拟方法[J];工程力学;2008年03期
10 王彬;杨庆山;;弱耦合算法的实现及其应用[J];工程力学;2008年12期
中国重要会议论文全文数据库 前5条
1 吴锤结;王亮;;消除圆柱绕流振荡尾迹的动波浪壁流动控制[A];祝贺郑哲敏先生八十华诞应用力学报告会——应用力学进展论文集[C];2004年
2 武岳;沈世钊;;单向大跨度柔性屋盖结构的流固耦合性能分析[A];第十一届全国结构风工程学术会议论文集[C];2004年
3 陈思;周岱;马骏;;拉索耦合风振分析的SPH方法初探[A];第十一届空间结构学术会议论文集[C];2005年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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2 熊玉梅;虚拟环境中物体碰撞检测技术的研究[D];上海大学;2011年
3 赵长军;大跨索桁桥初步设计研究[D];浙江大学;2002年
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5 李永乐;风—车—桥系统非线性空间耦合振动研究[D];西南交通大学;2003年
6 丁旺才;多自由度碰撞振动系统的环面分岔与混沌研究[D];西南交通大学;2004年
7 谭学民;大跨度斜拉桥风致振动时域分析[D];华南理工大学;1999年
8 邹小江;斜拉桥风振响应时域分析及静风稳定性研究[D];华南理工大学;2003年
9 晏致涛;大跨度中承式拱桥风致振动研究[D];重庆大学;2006年
10 胡峰强;山区风特性参数及钢桁架悬索桥颤振稳定性研究[D];同济大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 林雪纲;平面流动高精度算法的精度和瞬态模拟特性研究[D];浙江大学;2002年
2 于峰;杆式结构风荷载计算及响应分析[D];大连理工大学;2004年
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10 姚志东;基于数值模拟方法的大跨度结构表面风荷载的计算与分析[D];北京交通大学;2008年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 郑朝荣;张耀春;张建胜;张文元;;均匀吸气控制下后台阶流动的数值模拟[J];哈尔滨工业大学学报;2012年04期
2 罗刚;周晓军;李登峰;张川;;不同断面悬浮隧道绕流特性分析[J];铁道学报;2013年01期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 黄剑;二维振动屋盖的绕流特性数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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4 熊永亮;郜冶;王革;;水下超空泡航行体减阻能力的数值研究[J];弹道学报;2007年01期
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中国重要会议论文全文数据库 前4条
1 王毅;陈艾荣;;基于小波方法的随机脉动风模拟[A];第十一届全国结构风工程学术会议论文集[C];2004年
2 吴介之;马晖扬;;空气动力学中的涡动力学问题[A];钱学森技术科学思想与力学论文集[C];2001年
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 罗小兵;微惯性流体器件中的流动和传热及其工程应用[D];清华大学;2002年
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 罗振兵;合成射流流动机理及应用技术研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年
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2 周定松;肖克艰;;超高层建筑TMD风振控制实用设计方法[J];建筑结构;2010年09期
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4 刘金砺;高层建筑工程中提出的若干土力学问题[J];建筑科学;1988年02期
5 燕日权,任鹏;超高层建筑燃气设施安全问题的探讨[J];山西焦煤科技;2004年03期
6 陈颖辉,黄明;浅谈高层建筑的发展[J];昆明大学学报;2005年01期
7 郭彦杰;;浅谈超高层建筑节能设计[J];科技信息(科学教研);2008年13期
8 杨小珊;;对超高层建筑中泵送混凝土有关问题的分析[J];建材与装饰(下旬刊);2008年07期
9 吕明芳;;超高层建筑的电梯设计的探讨[J];科技致富向导;2010年26期
10 侯石涛;城乡工业与民用建筑工程勘察动向[J];水文地质工程地质;1989年04期
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1 冯若强;梁长明;;高阶振型对超高层建筑结构风振响应的影响[A];第十四届全国结构风工程学术会议论文集(上册)[C];2009年
2 贾城;司呈庆;何世鸣;;CFG桩复合地基技术用于地上30层超高层建筑的实例[A];探矿工程(岩土钻掘工程)技术与可持续发展研讨会论文集[C];2003年
3 全涌;顾明;田村幸雄;;方形截面超高层建筑横风向等效静力风荷载及加速度响应的计算方法[A];第十三届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅲ册)[C];2004年
4 朱红军;;超高层建筑设计——南京新华大厦[A];建设工程理论与实践(第二辑)[C];2005年
5 徐暻珍;;韩国某超高层建筑多联机和冷水机混合使用实例[A];上海市制冷学会2009年学术年会论文集[C];2009年
6 丁佩民;应晓阳;徐杰;鲍培培;;宿州中央大厦结构设计[A];建筑结构(2009·增刊)——第二届全国建筑结构技术交流会论文集[C];2009年
7 全涌;顾明;;典型超高层建筑气动弹性模型的风洞试验研究[A];第八届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ卷)[C];1999年
8 陈伟亚;;超高层建筑消防系统设计若干问题探讨[A];湖北省土木建筑学会学术论文集(2000-2001年卷)[C];2002年
9 陈敖宜;王跃辉;;天津市地铁大厦超高层建筑结构设计的研究[A];首届全国建筑结构技术交流会论文集[C];2006年
10 鲍广鉴;;超高层钢结构施工技术与管理[A];庆贺刘锡良教授执教五十周年暨第一届全国现代结构工程学术报告会论文集[C];2001年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本版编辑 本报记者 韩庆文 汤璇;鼓励还是慎行,超高层建筑的两难选择[N];广东建设报;2006年
2 吴琼;发展超高层建筑是大势所趋[N];广东建设报;2008年
3 金磊;超高层建筑的安全问题[N];经理日报;2002年
4 本报记者 韩庆文;超高层:广州还有发展空间[N];广东建设报;2007年
5 宗合;台北地层连续三年下陷[N];地质勘查导报;2008年
6 张华燕;新型超高层建筑灭火水泵研制成功 送水最高可达1000米[N];中华建筑报;2010年
7 田立会 王铭珍;国外超高建筑防灾杂谈[N];中华建筑报;2010年
8 陈永杰魏刚;中国第一高楼风批判[N];北京科技报;2007年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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6 李保庆;圆柱涡致振动控制的实验研究[D];中国科学技术大学;2008年
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9 宋吉宁;立管涡激振动的实验研究与离散涡法数值模拟[D];大连理工大学;2012年
10 陈辉;超高层建筑桩基础承载性能的试验研究与模拟分析[D];中国地质科学院;2009年
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1 王微微;考虑平面旋转和顺流向振动的海洋立管涡激振动数值模拟[D];天津大学;2012年
2 胡克;基于涡激振动实验的渔场浮体水动力数值模拟[D];大连理工大学;2010年
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6 郭敏锋;新世界时代科贸中心超高层建筑前期设计研究[D];华南理工大学;2012年
7 杨小虎;脉动风荷载下钢筋混凝土巨—子型控制结构的研究[D];西北工业大学;2005年
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