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高耸结构绕流与流固耦合的数值模拟

胡伟  
【摘要】: 高耸结构是一种非常重要的特种结构,它的用途量大而广,遍及各个行业。尤其在广播电视塔架、通讯信号塔、市政供水塔、工业烟囱等应用十分普遍。 随着科学技术的不断发展,高耸结构的设计和应用更是突飞猛进,在各个领域的应用也在不断的增加。高耸结构的重要荷载是风荷载。风荷载的作用,会使得细长的高耸结构产生高频振动和大幅变形,从而严重影响其正常使用和稳定性。因此,深入细致地研究这类结构在流场中的受力特性是非常有必要。 基于流固耦合理论,本文主要研究了高耸结构在风场中流固相互作用的问题。首先,对最简单的圆柱形截面的烟囱在风荷载作用下进行分析,利用CFD方法,对烟囱模型进行绕流数值模拟。在此基础上,进一步对外界气流和烟囱的相互作用进行了流固耦合的数值模拟分析。应用大型通用有限元软件ANSYS/CFX,采用较常用的SST k-ω湍流模型,将实际工程中的某大型火力发电厂烟囱进行了等尺寸流固耦合的数值模拟。分别对烟囱建立了刚性模型和考虑耦合效应的弹性模型,通过数值模拟分析,得出了刚性模型的绕流场的风速、风压和风矢量场的分布图像以及弹性模型的位移和压强时程曲线。同时基于计算结果,分析了结构物在考虑耦合效应流场中的受力特性,和高耸结构在风荷载作用下流固耦合机理,为高耸结构物在风荷载作用下的精准分析及设计提供了新的方法。


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