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二维振动屋盖的绕流特性数值模拟

黄剑  
【摘要】:膜结构是应用广泛的空间结构形式,具有轻质和柔性的特点。正是由于这样的特点,在膜结构的设计中风荷载成为了控制荷载。在风的作用下,膜结构会产生较大的变形,这种变形会影响流场,产生所谓的“流固耦合”。国内外对于膜结构与风作用产生的流固耦合问题的研究的研究还很薄弱。在流固耦合数值模拟方面,由于其涉及到流体域(CFD)、结构域(CSD)以及两者之间的数据交换问题,所以求解起来难度特别大。本文以下部封闭式和开敞式二维屋盖为例,将单向张拉膜结构的流固耦合问题简化为运动边界对流场影响的问题,研究了屋盖振动对结构风压特性和流场特性的影响。由于任意的屋盖振动形式都可以看成是各种简谐振动的叠加,本文以下部封闭式和开敞式屋盖为研究对象,分析结构在不同振幅、振动频率和振动波形的条件下,振动屋盖的绕流特性,得到了一些初步结论。 本文首先对CFD数值模拟的基本方法和动网格技术进行了总结,探讨了湍流模型及动网格更新方案的适用性。对方柱绕流进行数值模拟,对比了各个湍流模型。计算结果表明,采用大涡模拟(LES)的方法与试验结果最接近。对横向振荡圆柱绕流进行数值模拟,得到了与相关文献一致的结论,验证了动网格更新方案的可行性。 依据上述研究成果,选取合适的湍流模型和动网格更新方案,以下部封闭式振动屋盖为研究对象,在均匀来流的条件下,考虑振幅、振动频率以及振动波形对屋盖绕流特性的影响。计算结果表明,振幅越大、振动频率越大、振动波形越复杂,下部封闭式振动屋盖的受力越不利。 最后,以下部开敞式振动屋盖为研究对象,在均匀来流的条件下,考虑振幅、振动频率以及振动波形对屋盖绕流特性的影响。计算结果表明,振幅越大、振动频率越大、振动波形越简单,下部开敞式振动屋盖的受力越不利。


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